Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и создание экспериментального образца водородной системы резервного электроснабжения.

Номер контракта: 14.604.21.0123

Руководитель: Борзенко Василий Игоревич

Должность: зав. лаб., к.т.н.

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:

Цель проекта:
Работа направлена на исследование возможности создания водородной энергетической установки для резервного электропитания объектов связи на основе водородных источников низкого давления, мощностью 10 кВт и объемом хранения энергии 100 кВт/ч для повышения надежности и снижение эксплуатационных затрат систем резервного электропитания телекоммуникационных объектов. Широкое распространение мобильной и стационарной связи, необходимость повышения надежности оказания услуг связи ведут к росту требований, предъявляемым к системам бесперебойного питания. В настоящее время наиболее распространенным способом обеспечения бесперебойного питания электроприемников является использование электрохимических аккумуляторных батарей (АКБ) в сочетании с электроагрегатами на основе дизель-генераторных установок (ДГУ). Это решение обладает рядом существенных недостатков, ограничивающих его использование в случае длительных нарушений питающей сети переменного тока. Основными недостатками электрохимических аккумуляторов являются их низкий ресурс, низкая удельная мощность, существенное ухудшение эксплуатационных характеристик при воздействии как низких, так и высоких температур окружающего воздуха, необходимость постоянного обслуживания и экологическая небезопасность (выделение токсичных веществ как во время эксплуатации, так и при переработке). Основными недостатками ДГУ является необходимость значительных капитальных и эксплуатационных затрат, низкая надежность, необходимость завоза топлива, экологическая небезопасность (загрязнение воздуха). Решением этой проблемы может стать использование в качестве топлива и хранение энергии в промежуточном энергоносителе – водороде, с последующим получением электроэнергии в энергоустановках на базе топливных элементов. Водород является вторичным энергоносителем и аккумулятором энергии при создании резервных и аварийных систем энергообеспечения. Энергоустановки на базе топливных элементов (с твердополимерным и щелочным электролитом) обладают высоким КПД (свыше 55%) и рассматриваются в качестве перспективных источников энергии в киловаттном классе мощности. Повышенную безопасность при эксплуатации обеспечивают устройства и системы хранения, основанные на использовании обратимых металлогидридов на базе интерметаллических соединений, способных избирательно и обратимо поглощать водород. Важным потребительским качеством металлогидридных систем является хранение водорода в связанном твердофазном состоянии, под давлением, близком к атмосферному, что позволяет отказаться от использования газовых баллонов высокого давления. Цели выполнения ПНИ: - Разработка новых технических решений, обеспечивающих повышение надежности электропитания телекоммуникационного оборудования и снижение экологической нагрузки на природу за счет применения водородных технологий аккумулирования энергии. - Создание экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии (ВСРЭ). - Разработка новых технических решений, обеспечивающих время автономной работы экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии не менее 10 ч для телекоммуникационного оборудования электрической мощностью от 10 кВт.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
- 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) описание разработки экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии;
г) описание математической модели процессов тепло и массопереноса в элементах водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии и результатов моделирования;
д) результаты экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса в металлогидридных реакторах;
е) результаты экспериментальных исследований экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии;
е) результаты анализа экспериментальных данных по исследованию экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии;
ж) результаты испытаний экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии;
з) технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики;
и) результаты анализа объектов телекоммуникационной отрасли с определением набора схемных решений при подключении водородной системы резервного электроснабжения;
к) технико-экономическая оценка результатов ПНИ;
л) обобщение и выводы по результатам ПНИ.
- Отчет о патентных исследованиях.
- Действующий экспериментальный образец водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии в составе: подсистема подготовки воды, электролизер, металлогидридный реактор хранения водорода низкого давления, топливный элемент, подсистема управления.
- Техническая документация на экспериментальный образец водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии в составе: техническое предложение на экспериментальный образец ВСРЭ, эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец ВСРЭ, эксплуатационная документация на экспериментальный образец ВСРЭ.
- Программа и методики экспериментальных исследований экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии.
- Программы и методика испытаний экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии
- Проект технического задания на проведение ОКР по теме «Создание опытного образца водородной системы резервного электроснабжения».

Результаты проекта должны позволить проведение ОКР по созданию опытного образца водородной системы резервного электроснабжения.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разрабатываемые технические решения 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 и быть 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. Разрабатываемые технические решения должны осуществлять производство водорода методом электролиза воды за счет энергии электрической сети общего пользования и/или энергии от возобновляемого источника, хранение произведенного водорода в твердофазном связанном состоянии с помощью гидридов металлов и производство электрической энергии в топливных элементах за счет водорода, хранимого в твердофазном связанном состоянии.
Водород является вторичным энергоносителем и аккумулятором энергии при создании резервных и аварийных систем энергообеспечения . Энергоустановки на базе топливных элементов (с твердополимерным и щелочным электролитом) обладают высоким КПД (свыше 55% ) и рассматриваются в качестве перспективных источников энергии в киловаттном классе мощности. Снабжение энергоустановок водородным топливом может осуществляться производством водорода на месте из подготовленной воды путем электролиза, уже созданы и появились на рынке эффективные электролизеры на повышенные давления с КПД > 75% и энергозатратами (4,2-4,4) кВтч/норм.м3.
Повышенную безопасность при эксплуатации обеспечивают устройства и системы хранения, основанные на использовании обратимых металлогидридов на базе интерметаллических соединений, способных избирательно и обратимо поглощать водород. Важным потребительским качеством металлогидридных систем является хранение водорода в связанном твердофазном состоянии, под давлением, близком к атмосферному, что позволяет отказаться от использования газовых баллонов высокого давления.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Демонстрационные проекты, выполненные Международным энергетическим агентством в рамках IEA HIA показали, что для интегрированных стационарных систем в составе электролизера, металлогидридной системы хранения водорода и энергоустановки на базе топливных элементов возможно достичь КПД системы равного 45…50%. Первоначальным рынком внедрения водородных систем бесперебойного питания является обеспечение надежности энергоснабжение узлов связи. Рынок систем бесперебойного питания на топливных элементах для нужд телекоммуникационной отрасли оценивается в 4.4 млрд. долл. США с ежегодным ростом около 200 млн. долл. США. Вторичными рынками являются развивающиеся рынки энергоустановок для распределенной и автономной энергетики, рынок систем аккумулирования энергии для ВИЭ.
Основными драйверами роста рынка водородных систем бесперебойного питания являются:
• Сопоставимый с традиционными технологиями уровень капитальных затрат;
• Низкие эксплуатационные расходы;
• Повышенная надежность по сравнению с ДГУ;
• Отсутствие необходимости в кондиционировании воздуха в отличие от АКБ;
• Большая компактность и меньший вес;
• Экологическая чистота;
• Возможность повышения энергоэффективности за счет производства водорода на месте, в том числе за счет возобновляемых источников энергии.
Водородные системы резервного энергоснабжения киловаттного уровня мощности достаточно широко представлены на мировом рынке и пользуются устойчивым спросом. Однако, подавляющее большинство систем использует привозной водород, а системы с производством топлива на месте, имеющие в своем составе электролизную часть, в качестве хранения используют физическое хранение – сосуды среднего давления (до 3,0 МПа), что тем не менее не снижает их уровень опасности при разгерметизации, а также отрицательно сказывается на габаритных характеристиках. Предлагаемое решение позволяет снизить давление водорода по всей системе до безопасных 0,07 МПа и тем самым не повышать класс опасности объекта установки (телекоммуникационный центр, базовая станция, АТС) при переходе на ВСРЭ, задействовать обслуживающий персонал, не аттестованный на работу с сосудами высокого давления.

Текущие результаты проекта:
Выполнен аналитический обзор современной научно- технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
Выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96, проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований.
Разработана математическая модель и проведено математическое моделирование работы элементов ВСРЭ.
Проведены экспериментальные исследования процессов тепломассопереноса в металлогидридных реакторах и разработаны варианты возможных решений задачи создания экспериментального реактора хранения водорода низкого давления РХН-1.
Разработано технического предложения на создание ВСРЭ.
Изготовлены и испытаны лабораторные образцы новых водородопоглощающих материалов для создания металлогидридного реактора хранения водорода низкого давления РХН. Изготовлена и испытана экспериментальная партия водородопоглощающих материалов для ВСРЭ.
Разработана эскизная конструкторская документация на модернизированный экспериментальный стенд ОИВАТ РАН 12-04 по исследованиям процессов тепломассопереноса в элементах водородных систем аккумулирования энергии.
Проведен анализ действующей в телекоммуникационной отрасли нормативной базы и выработаны требования к водородной системе резервного электроснабжения.
Проведен анализ объектов телекоммуникационной отрасли и определен набор схемных решений при подключении водородной системы резервного электроснабжения.
Разработана подсистема водоподготовки для водородной системы резервного электроснабжения.
Проведена модернизация экспериментального стенда с установкой новой системы диагностики и управления и экспериментального топливного элемента.
Проведены экспериментальные исследования системной интеграции элементов ВСРЭ для определения алгоритмов управления и оптимизации режимов работы ВСРЭ и математическое моделирование системной интеграции для определения основных технических характеристик ВСРЭ.
Разработана эскизная конструкторская и эксплуатационная документации на экспериментальный образец водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии.
Разработано техническое задания на систему управления водородной системы резервного электроснабжения.
Подготовлены заявки на правовую защиту промежуточных результатов ПНИ.
Проведена модернизация экспериментального стенда 12-04 ОИВТ РАН с установкой воздушной системы нагрева металлогидридного реактора.
Изготовлен экспериментальный образец ВСРЭ.
Разработаны программы и методики экспериментальных исследований и фунциональных испытаний образца ВСРЭ.
Проведены функциональные испытания экспериментального образца ВСРЭ в том числе:
- свойств экспериментальной партии водородопоглощающих материалов для ВСРЭ;
- длительности автономной работы ВСРЭ;
- электрической мощности ВСРЭ;
- качества электропитания электроприемников, подключенных к ВСРЭ.
Доработана эскизная конструкторской документации по результатам предварительных испытаний ВСРЭ.
Разработана схема электрической принципиальной с привязкой к инфраструктуре типового телекоммуникационного объекта.
Проведены экспериментальные исследования на образце ВСРЭ в т.ч.:
- исследования процессов переноса энергии и массы при экспериментальном моделировании режима зарядки системы в нормальном режиме эксплуатации при питании непрерывным напряжением переменного тока частотой 50 или 60 Гц;
- исследования процессов переноса энергии и массы при экспериментальном моделировании режима зарядки системы от ВИЭ;
- исследования процессов переноса энергии и массы при экспериментальном моделировании режима обеспечения бесперебойной работы подключенного оборудования в случае отключения или ухудшения качества электрической энергии источника питания переменного тока на входе.