Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и создание экспериментального образца водородной системы резервного электроснабжения средней мощности на основе альтернативных источников энергии.

Докладчик: Сафронова Екатерина Юрьевна

Должность: старший научный сотрудник, к.х.н.

Цель проекта:
1. Разработка новых технических решений, обеспечивающих повышение надежности электропитания телекоммуникационного оборудования и снижение экологической нагрузки на природу за счет применения водородных технологий аккумулирования энергии. Обеспечение максимальной локализации производства компонентов для водородной системы резервного электроснабжения за счет разработки отечественных водородно-воздушных топливных элементов. 2. Создание экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии на основе импортных и отечественных компонентов. 3. Предоставление научно-исследовательским организациям новых и эффективных методов и средств проведения исследований; получение значимых научных результатов, позволяющих переходить к созданию новых видов научно-технической продукции; вывод на рынок новой научно-технической продукции, разработки технологий мирового уровня, снижение экологической нагрузки на природу внедрением экологически безопасной технологии производства электроэнергии.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов
1.1 Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие:
а) анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме;
б) обоснование выбора направления исследований, методов и средств создания водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии;
в) результаты экспериментальных исследований экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии;
г) результаты анализа экспериментальных данных по исследованию экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии;
д) технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики;
е) обобщение и выводы по результатам ПНИ.
1.2 Отчет о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
1.3 Экспериментальный образец водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии.
1.4 Техническая документация на экспериментальный образец водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии.
1.5 Программа и методики экспериментальных исследований экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии.
1.6 Проект технического задания на проведение ОКР по теме: “Создание водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии на основе альтернативных источников энергии”.

2. Основные характеристики планируемых результатов
2.1. Разрабатываемые технические решения будут направлены на обеспечение бесперебойной работы телекоммуникационного оборудования за счет аккумулирования энергии в водороде путем электролиза воды, в том числе с использованием возобновляемых источников энергии, и производства электроэнергии в топливных элементах.
2.2 Разрабатываемые технические решения будут предназначены для питания непрерывным напряжением переменного тока частотой 50 или 60 Гц однофазных и/или трехфазных приемников в случае отключения или ухудшения качества электрической энергии источника питания переменного тока на входе.
2.3. Разработанные мембранно-электродные блоки будут предназначены для изготовления экспериментального образца батареи водород-воздушных топливных элементов общей мощностью 10000 Вт.
2.4. Разработанный экспериментальный образец батареи водород-воздушных топливных элементов будет предназначен для использования в качестве источника электроэнергии экспериментального образцов водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии.
2.5. Разрабатываемая система управления водородной системой бесперебойного питания и аккумулирования энергии будет предназначена для эффективного управления системой бесперебойного питания и аккумулирования энергии, а также переключение питания оборудования на аккумулятор, включение топливного элемента и переключение питания на топливный элемент во время перепадов или отсутствия внешнего источника питания.
3. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений.
Предложенные подходы к решению поставленных целей являются новыми и оригинальными. Изготавливаемые установки будут базироваться на подходах разработанных авторами и изготавливаться в значительно части из отечественных материалов.
4. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
В последнее время в зарубежных и отечественных исследованиях большое внимание уделяется созданию систем на основе возобновляемых источников энергии. Немалая часть решений основывается на использовании систем водородного цикла, включающих электролизер, топливный элемент, источник аккумулирования энергии. Необходимо отметить, что построение системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии, расчет параметров компонентов должны быть построены на основе данных о климатических условиях конкретного региона и с учетом удовлетворения пиковых потребностей в электроэнергии. Аналогичных работ, в которых учтены особенности различных регионов Российской Федерации, нет. Кроме того результаты работ по созданию систем сохранения и генерации энергии в литературе не всегда публикуются. В опубликованных же работах методы создания, как правило, описаны поверхностно.

5. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Для достижения поставленных целей будут проведены работы как по оптимизации отдельных компонентов (электрокатализатор, электролит), так и всей системы в целом.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Основной областью применения разрабатываемых в ходе выполнения проекта ВСБПАЭ является обеспечения бесперебойной работы телекоммуникационного оборудования, в случае отключения или ухудшения качества электрической энергии источника питания переменного тока. Они могут быть использованы также для обеспечения электропитанием в течение периода отсутствия или малой мощности генераторов, на время аварийного отключения сетевого питания широкого спектра потребителей, от автономных рабочих мест до удаленных объектов различного типа. Кроме того, разрабатываемые водородные системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии предназначены для замены традиционных дизельных электростанций, с целью снижения экологической нагрузки на природу за счет применения водородных технологий аккумулирования энергии.
2. Возможными потребителями научно-технических результатов ПНИ являются предприятия по производству систем электроснабжения. В частности, индустриальным партнером предлагаемого проекта является резидент Сколково ООО "Эй Ти Энерджи" (https://community.sk.ru/net/1120324/), активно занимающийся разработкой и организацией серийного выпуска мембранно-электродных блоков на основе нанокомпозиционных мембран. Успешное выполнение проекта позволит расширить ассортимент выпускающей продукции и расширить области практического применения и рынка сбыта топливных элементов.
3. По итогам выполнения ПНИ будет подготовлено техническое задание на проведение ОКР по созданию водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии. Решение проблемы широкого внедрения энергоустановок на основе возобновляемых источников тока чрезвычайно важно на территории Российской федерации ввиду наличия огромных территорий, не покрытых электрическими сетями. Традиционным техническим решением по электропитанию потребителей в удаленных районах являются дизельные электростанции, поэтому применение возобновляемых источников энергии позволяет существенно сократить потребление дорогостоящего (прежде всего из-за транспортной составляющей) органического топлива.

Текущие результаты проекта:
1) Проведен анализ научно-технической литературы по базам данных Web of Science, Scopus, РИНЦ, а также технической документации и других материалов по созданию систем резервного электроснабжения и альтернативных источников энергии, основное внимание было уделено анализу литературы за последние 5 лет. В отчете показано, что создаваемые установи на основе возобновляемых источников энергии в основном имеют малую и среднюю мощность и предназначены для стабилизации сетевых электростанций. Математическое моделирование с использованием почасовых последовательностей данных позволяет повысить эффективность установок с учетом климатических особенностей местности. В литературе недостаточно сведений о решении проблем снабжения установки очищенной водой. Определены основные требования, предъявляемые к твердым электролитам и электрокатализаторам для водород-воздушных топливных элементов. Среди известных на сегодняшний день материалов для этих целей наиболее всего подходят катализаторы на основе платины, сплавов и композитов с ее включением и перфторированные сульфокатионообменные мембраны, в том числе гибридные мембраны на их основе.
2) Подготовлено отчет о патентных исследованиях, по результатам которого часть полученных в ходе выполнения ПНИ результатов будет являться патентноспособной.
3) Обоснован выбор направления исследований, методов и средств создания водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии. На основании обзора литературы при создании водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии было решено учитывать климатические условия региона использования установки для оптимизации системы с точки зрения стоимости и эффективности. Обосновано схемы системы на основе общей шины постоянного тока. Выбраны методики модификации мембранных материалов и электрокатализаторов для водород-воздушных топливных элементов. В качестве электролита будет использован материл на основе перфторированной сульфокатионитной мембраны Nafion.
4) Проведен расчет основных характеристик компонентов водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии.
5) Разработаны композиционные протонпроводящие мембраны для водородвоздушных топливных элементов на основе перфторированной сульфосодержащей мембраны Nafion 212, проводимость которых при влажности около 30% почти на два порядка превышает проводимость немодифицированной мембраны Nafion 212 и достигает значений 3.2•10 3 См/см.
6) Подготовлен промежуточный отчет о ПНИ.
7) За счет внебюджетных средств индустриального партнера ООО "Эй Ти Энерджи" подготовлена партия электрокатализатора для экспериметального образца батареи водород-воздушного топливного элемента.
8) По промежуточным результатам работ подготовлена и принята к публикации научная статья в журнале «Электрохимия» (издательство МАИК “Наука/Интерпериодика”), индексируемом в базе данных Scopus. Англоязычный вариант данной статьи будет опубликован в журнале «Russin journal of electrochemistry» (издательство Springer), индексируемом в базах данных Web of Science и Scopus.