Электрохимические микротеплоэлектроцентрали

К специалистам нашей компании Вы можете обратиться в том, случае, если вас интересуют блочные котельные или электрохимические микротеплоэлектроцентрали. Модульно-блочная котельная – это оптимальное решение, если речь идет о снабжении теплом и горячей водой компании и учреждения.

 В настоящее время на европейском рынке отопительной техники все чаще говорят о принципиально новом оборудовании для автономного электро- и теплоснабжения жилых домов – это электрохимические генераторы на топливных элементах. Производители ведущих марок  котельного оборудования (BBT, Baxi Group, MТS, Vaillant, Viessmann и некоторые другие) охотно сотрудничают с разработчиками и изготовителями основных компонентов электрохимических генераторов, или дополняют ими свой состав. Сегодня в сегменте бытовом отопительной техники основными являются две технологии топливных элементов: Solid oxide fuel cells (SOFC) - твердооксидные топливные элементы и Proton Exchange Membrane (PEM) - энергоблоки с протонно-обменной мембраной (PEM), которые благодаря усилиям разработчиков высокими темпами осваивают нишу маломощного (до 10 кВт) отопительного оборудования. По данным производителей, в 2006 г. по технологии PEM изготовлено порядка 75 % установок бытового назначения, оставшиеся 25 % – на основе SOFC.

Эти прогнозы имеют основание: в отличие от других автономных источников тепла энергоблоки на топливных элементах простоты в эксплуатации (им практически не нужно обслуживание) имеют более высокую эффективность, надежность и долговечность. Так же важным достоинством является минимальный уровень шума и вибрации при работе установок на топливных элементах. Это позволяет использовать электрохимические генераторы как оптимальное решение для автономного электро- и теплоснабжения высотных зданий, особенно для городского элитного жилья, где высокие шумовые показатели газопоршневых и дизельных установок долгое время являлись основной преградой для оборудования крыш и чердаков мини-ТЭЦ.

По предположениям экспертов, к 2010 г. ежегодное потребление внутренним европейским рынком отопительной техники составит до 250 тыс. устройств на топливных элементах. Главным потребителем возможно будет Германия, которая для бытового применения будет покупать до 40 % всей европейской продукции данного типа.

Идея применения установок на топливных элементах популярна еще благодаря тому, что они отлично вписываются в существующую инфраструктуру теплоснабжения. Для автономного энергоснабжения коттеджей и домов на 2–4 семьи предназначены модели мощностью до 10 кВт, размеры которых не больше домашнего бойлера. В качестве водородсодержащего сырья используется природный газ, сжиженный углеводородный газ и др. В последние время всё чаще рассматривается возможность применения легкого жидкого топлива. Выпуск таких моделей большинство производителей, преимущественно американских и японских, анонсируют на 2008 г.

Главным же преимуществом энергогенераторов на топливных элементах являются хорошие экологические показатели: если в качестве топлива взять чистый водород, то, кроме выделения электричества и тепла, продуктом реакции будет только водяной пар. Это значит, что в данном случае при получении энергии не  выделяется СО2, который вызывает парниковый эффект, и другие вредные вещества. Если в качестве топлива использовать сырье, содержащее водород, для примера сжиженный углеводородный газ, в реформере будут образовываться нежелательные продукты реакции: оксиды азота (NOx),угарный газ (CO), углеводороды (CxHy) и др. Но от топливных элементов в атмосферу выбрасывается гораздо меньше вредных веществ, чем при работе традиционных энергоблоков. Так при работе газопоршневых когенерационных установок, выбросы CO2 оказываются на 25–50 % больше, чем от топливных элементов.

Сейчас международные финансовые институты (International Finance Corporation, Global Environment Facility и др.) значительно способствуют повсеместному внедрению водородных технологий. Они не только инвестируют разработку оборудования, но и помогают приобрести энергоблоки в лизинг.

Раньше только фактор цены мешал широкому распространению топливных элементов мешал : стоимость за 1 кВт установленной электрической мощности составляла в среднем 3–4,5 тыс. долл. , при конкурентоспособной цене около 1,5 тыс. долл./кВт. Сейчас  же некоторые разработчики крупных энергоблоков уже добились снижения стоимости единицы установленной мощности до 700–800 долларов.

В Японии одной из мер, направленных на снижение энергетической зависимости страны, является субсидирование не только капитальных затрат, но и стоимости произведенной электроэнергии: 1,5–2,0 цента за киловатт-час. С 2006 г. в этой стране начала действовать многолетняя программа внедрения водородных технологий. В рамках этой программы осуществляется субсидирование установки 6400 стационарных энергогенераторов на топливных элементах (часть из них будет предоставлена пользователям бесплатно).

США и Япония занимают лидирующие позиции в производстве и электрохимических установок. В этих странах существует практика прямых государственных субсидий в водородные проекты. В частности, в США в 2005 г. был принят Энергетический билль, предусматривающий налоговые льготы и кредитование, предназначенные для снижения затрат на оборудование до уровня 1 тыс. долл./кВт установленной мощности.

Краткая теория

В этом году в Европе ожидается множество больших демонстрационных проектов в рамках инициативы HyCom (Hydrogen Communities). Многие европейские производители уже с 2008 г.  планируют приступить к серийным поставкам установок, использующих топливные элементы, на рынок отопительной техники.

Еще в 70-х годах прошлого века американские специалисты разработали PAFC, которые использовались для оснащения космических кораблей Space Shuttle. PAFC и сегодня применяются в составе источников электро- и теплоснабжения средней (около 200 кВт) мощности.  Электролитом является раствор фосфорной кислоты. Диапазон рабочих температур - 150–200 °C. В реформере топливного элемента находятся бумажные электроды, на поверхность которых нанесен углерод, с рассеянным в нем платиновым катализатором.  КПД установки составляет 80 %, из которых 37–42 % КПД по электричеству. Для того, чтобы в качестве топлива использовать бензин, а не водород, необходимо предварительно очистить его от серосодержащих соединений. В сегменте средней мощности установки на топливных элементах типа PAFC стали первыми коммерчески доступными (модель PureCell 200 появилась на рынке в 1991 г.). В перувю очередь они применяются для энергоснабжения крупных объектов: аэропортов, гостиниц, торговых центров, больниц, общественных и жилых зданий, университетов и пр.

Существует несколько разновидностей топливных элементов, применяющихся для автономного электро- и теплоснабжения. Они различаются составом использованного электролита. Сейчас наиболее перспективными для автономных источников электричества и тепла считаются следующие топливные элементы: с твердополимерным электролитом или протонно-обменной мембраной – PEFC, PEMFC (Polymer Electrolyte и Proton Exchange Membrane Fuel Cell); твердооксидные – SOFC (Solid Oxide Fuel Cell); с фосфорно-кислым электролитом - PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell); расплавные карбонатные – MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell).

PEMFC (PEM) – разработка General Electric, выполненная еще в 1960-х по заказу космического ведомства США. Номинальная мощность топливных элементов данного типа составляет 1–100 кВт, а относительно низкий (60–160 °C) рабочий температурный диапазон позволяет успешно применять их для питания различных электронных устройств – мобильных телефонов, ноутбуков и пр. Технология находит применение как в производстве, так и в бытовом сегменте отопительной техники. Использование же топливных элементов PEM для электро- и теплоснабжения крупных общественных и промышленных зданий, менее эффективно, в виду больших требований к объемам тепловой энергии. Главным элементом этого топливного элемента является протонно-обменная мембрана. Разность потенциалов между катодом и анодом возникает за счет того, что через мембрану могут перемещаться только положительно заряженные ионы водорода, и не проходят электроны. Такие топливные элементы характеризуются высокой удельной мощностью, быстрым включением и регулированием выходной мощности. Недостаток же являются высокие требования к фильтрации топлива: плохо очищенный бензин может привести к выходу мембраны из строя.

Созданные в 1960-х MCFC применялись для реализации американских космических программ: Apollo, Apollo-Soyuz и Scylab. В середине 1970-х Министерство энергетики США решило разработать на их основе модель мини-ТЭЦ для коммерческого использования. В 1990-х  было запущено несколько таких установок с номинальной мощностью до 250 кВт. Благодаря тому, что они работают при высоких температурах (600–700 °C), можно отказаться от использования внешнего реформера (блока получения водорода), что позволяет упростить конструкцию аппарата. В качестве электролита применяется расплав солей карбоната лития и карбоната калия, нагретых до 650 °C. На аноде происходит реакция взаимодействия водорода с ионами CO32-, в результате которой образуется вода и диоксид углерода, а также высвобождаются электроны, направленных во внешнюю цепь. На катоде идет реакция взаимодействия кислорода с диоксидом углерода и электронами из внешней цепи, вновь образуя ионы CO32-. Топливные элементы на базе расплавленного карбоната обладают высоким КПД по электричеству – 60 %, и общий – до 85 %. Но недостатком  установки с MCFC требуют больше времени для запуска и регулирования мощности. Поэтому в настоящее время их применяют в качестве стационарных источников тепловой и электрической энергии только на крупных объектах.

Проверка временем

Первые опытные образцы SOFC были созданы еще в конце 1950-х в США и Голландии. В наши дни на их основе производят коммерческие стационарные мини-ТЭЦ мощностью от 250 кВт до 5 МВт. Благодарая высокой рабочей температуре (700–1000 °C) можно использовать даже плохо очищенное топливо. Такие установки применяются в качестве крупных стационарных источников тепловой и электрической энергии. Анод, катод и электропроводящий элемент (электролит) SOFC изготавливаются из специальных сортов керамики. Довольно часто в качестве электролита используют смесь оксида циркония и оксида кальция. Электролит представляет собой кристаллическую решетку, выполненную в виде трубок или плоских плат, на обеих сторонах которых нанесен пористый электрод. При высоких рабочих температурах на катоде образуются ионы кислорода, проникающих через кристаллическую решетку на анод. На аноде приходит реакция взаимодействия с ионами водорода, продуктами которой являются вода и свободные электроны. При этом модель не нуждается в отдельном реформере, так как водород выделяется из природного газа непосредственно в ячейке. Высокая надежность и долговечность - отличительные особенности твердооксидных топливных элементов. Для примера, прототип топливного элемента SOFC, разработанного компанией Siemens Westinghouse Power Corp. (США), установил мировой рекорд по продолжительности непрерывной эксплуатации топливного элемента, наработав 16 600 часов.

Другие лидеры европейского готовят свои модели бытовых миниТЭЦ на топливных элементах для выхода на рынок. Так,Viessmann в рамках научно-исследовательского проекта совместно с OMG, Sud Chemie, SGL Carbon Group, ZSW и университетом Дортмунда в 2000 г. начал разработку генератора энергии на основе PEM. В результате была получена установка, обладающая электрической мощностью 2 кВт и тепловой – 3 кВт. В этом году будут проходит ее эксплуатационные испытания, а в 2008 г. будет произведена небольшая «пилотная» партия. Однако масштабное производство, по мнению сотрудников Viessmann, станет возможным не ранее 2010 г. Необходимо серьезно поработать над снижением себестоимости, чтобы обеспечить конкурентоспособномть продукта на рынке.

Компания Vaillant стала одним из первых европейских производителей отопительной техники, начавших разработку топливных элементов PEM. На ее технологической базе в 1999 г. было создано совместное предприятие с компаниями Plug Power и GE Fuel Cell Systems (США). Это объединение занялось разработкой бытовых моделей топливных элементов с использованием PEM-ячеек и газовой аппаратуры производства Plug Power. Продукция предназначена для небольших домов или аналогичных по размерам помещений предприятий малого бизнеса (кафе, магазины, бензозаправки и пр.). Каждый топливный элемент обеспечивает 3,5 или 4,6 кВт электрической мощности. В европейских странах было успешно протестировано 400 таких. В испытаниях принимали участие университеты Лиссабона и Эссена, Германский аэрокосмический центр, Европейская теплоэнергетическая ассоциация, фирмы Plug Power Holland, Gasunie (NL, Ruhrgas, RWE Power) и также испанская компания Sistemas de Calor. Массовый выход на рынок данных аппаратов Vaillant планирует к 2010 г.

Известный концерн BBT Thermotechnik участвует в совместной программе RWE Fuel Cells (подразделение немецкой компании RWE AG) и производителя топливных элементов IdaTech (США) по разработке микроТЭЦ EtaGenTM на основе PEM, обладающей электрической мощностью 5 кВт. Разработка топливного элемента поручена компании IdaTech, на основе которого RWE Fuel Cells и BBT Thermotechnik смогли бы изготовить энергоблок и испытать его в традиционной системе отопления. Им же поставлены задачи по адаптации полученного оборудования к европейским стандартам и организации серийного производства. Эксплуатационные испытания установка прошла в 2005 г.

В 2002 г. компания European Fuel Cell GmbН (в настоящее время – Baxi Innotech), основанная в 1999 г. специально для разработки и внедрения на европейский рынок топливных элементов, вошла в международный холдинг Baxi Group. Первый опытный образец теплоэлектрогенераторных установок малой мощности Beta на топливных элементах PEM был получен уже к 2005 г. Модель Beta 1.5, имеющая электрическую мощность 1,5 кВт прошла эксплуатационные испытания, наработав за год 5 тыс. часов. Установка Beta 1.5 Plus впервые была представлена специалистам на выставке ISH-2007  была. Её PEM-блок обладет тепловой мощностью  3 кВт, а общий КПД составляет более 80 %. В Модель встроен конденсационный котёл, позволяющий регулировать мощности от 3,5 до 15 кВт. Так же по пожеланию модель оснащается накопительным водонагревателем. У Beta 1.5 Plus довольно компактные габариты  100х73х185 см. Рабочее давление природного газа составляет от 18 до 25 мбар. Продукт вызвал широкий интерес, но специалисты Baxi Group отметили, говорить о его широких продажах пока рано.

Итальянская компания Merloni Termosanitari (MTS Group) к 2008 г.  планирует вывести на европейский рынок отопительной техники модели мини-ТЭЦ мощностью до 10 кВт, использующих топливные элементы SOFC, разработанные компанией Acumentrics (США). Сейчас MTS совместно со своим американским партнером проводит испытания двух версий топливных элементов с технологией «захвата» СO2. Эти установки предполагается использовать для энергообеспечения коттеджей на одну-две семьи.

Одним из первых европейских производителей, выпускающих бытовые установки, выполненные на основе SOFC, стала швейцарская компания Sulzer Hexis, разработалвая в 1998 г. проект энергоблоков малой мощности. В последствии, совместно с немецкой мультисервисной компанией EWE AG, работающей на  европейском рынке автономного электро- и теплоснабжения, началась реализация бытовых моделей HXS 100 мощностью 10 кВт. В прошлом году компания выпустила энергоблок последнего поколения на основе SOFC – Galileo.

Английская компания Rolls-Royce так же анонсировала выпуск твердооксидных топливных элементов. Эта компания в данный момент тестирует установки общей мощностью 80 кВт, предназначенных для автономного электро- и теплоснабжения домов с проживанием до 15 семей. В 2008 г.  Rolls-Royce планирует представить свой продукт на европейском рынке отопительной техники.

В 2005 г. British Gas и британский производитель Ceres Power заключили соглашение о развитии и маркетинге бытовых электрохимических генераторов мощностью 4 кВт с использованием SOFC производства Ceres Power. Эти энергоблоки предназначены для внутреннего потребления в Великобритании. Скорее всего их распространение начнется в 2008 г.
Вы можете обратиться в нашу компанию, если у Вас возникли вопросы о блочных котельных и других современных отопительных системах. Мы рады оказаться Вам полезными.