Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и создание водородной системы резервного электроснабжения и аккумулирования энергии

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
водород, гидрид, акккумулятор водорода, аккумулятор энергии, водородные энерготехнологии, электрохимический генератор водорода, топливный элемент, водородная энергетика, возобновляемая энергетика

Цель проекта:
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 резервного электроснабжения и аккумулирования энергии. Основным компонентом разрабатываемой водородной системы резервного электропитания являются металлогидридные аккумуляторы водорода многократного действия. Такие аккумуляторы обладают низкой чувствительностью к примесям в электролизном и техническом водороде и выделяют водород высокой чистоты. Разрабатываемые аккумуляторы имеют рабочее давление 30 атм в диапазоне температур от -50 до +50°С без дополнительного подогрева или охлаждения.

Основные планируемые результаты проекта:
Экспериментальный образец водородной системы резервного электроснабжения и аккумулирования энергии, состоящий из электролизера, металлогидридного аккумулятора водорода и топливного элемента.
Металлогидридный аккумулятор водорода, заправляемый электролизным водородом и обеспечивающий питанием топливный элемент.
Автоматизированная система управления водородной системой аккумулирования энергии.
Проект технического задания на проведение ОКР по созданию водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии.

Разрабатываемый экспериментальный образец водородной системы резервного электроснабжения и аккумулирования энергии предназначен для питания нагрузки постоянным напряжением в случае отключения основного источника электропитания. Данный экспериментальный образец будет модульного типа. Один модуль будет обеспечивать время автономной работы не менее 10 ч для телекоммуникационного оборудования электрической мощностью до 2.5 кВт, но не менее 2 кВт, а 4 модуля – до 10 кВт, но не менее 8 кВт. Бесперебойная работа телекоммуникационного оборудования будет осуществляться за счет водородного аккумулирования энергии путем генерирования водорода электролизом воды (в том числе с использованием возобновляемых источников энергии), аккумулирования водорода в металлогидридах и производства электроэнергии в топливных элементах. Применение разрабатываемой водородной системы резервного электроснабжения и аккумулирования энергии позволит сократить габаритные размеры хранилища водорода до 4 раз по сравнению с хранением газа в баллонах высокого давления (150 атм), снизить суммарные затраты на владения системой резервного электроснабжения более чем на 10% по сравнению с коммерческими системами на базе литий-ионных батарей эквивалентной энергоемкости емкости на сроке эксплуатации более 5 лет.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В ходе выполнения проекта будет создан действующий экспериментальный образец водородной системы резервного электроснабжения и аккумулирования энергии, состоящий из электролизера, металлогидридного аккумулятора водорода и топливного элемента. Оригинальность и новизна подходов по решению поставленной задачи, а также мировой уровень получаемых научных результатов подтверждается заявками на РИД и публикациями в изданиях с высоким импакт-фактором. Создаваемая научно-техническая продукция может превышать мировой уровень, поскольку в настоящее время в водородных системах резервного электроснабжения и аккумулирования энергии предлагается использовать сжатый водород под давлением выше 150 атм, что из-за требований по технике безопасности с взрывоопасным водородом высокого давления ограничивает их размещение вблизи жилых домов. В нашем варианте предполагается использование для хранения водорода компактных и безопасных металлогидридных аккумуляторов под давлением водорода ниже 10 атм.
Пути и способы достижения заявленных результатов определяется планом-графиком работ:
Этап 1. Выбор направления исследований и способов решения поставленных задач.
1.1 Аналитический обзор информационных источников по теме работы.
1.2 Проведение патентных исследований по ГОСТ15.011-96.
1.3 Обоснование выбора направления исследований и способов решения поставленных задач.
1.4 Разработка комбинированной технологической схемы экспериментального стенда исследования водород-аккумулирующих материалов.
1.5 Модернизация экспериментального стенда исследования водород-аккумулирующих материалов в соответствии с технологической схемой.
1.6 Разработка комбинированной технологической схемы экспериментального стенда для тестирования металлогидридных аккумуляторов водорода.
1.7 Модернизация экспериментального стенда для тестирования металлогидридных аккумуляторов водорода в соответствии с технологической схемой.
1.8 Выбор и обоснование коммерческих водород-воздушных топливных элементов для водородной системы резервного электроснабжения.
1.9 Разработка комбинированной технологической схемы водородной системы резервного электроснабжения.
1.10 Модернизация экспериментального стенда для тестирования топливных элементов, в том числе, с использованием стандартного баллонного водорода, в соответствии с технологической схемой.
1.11 Разработка комбинированной технологической схемы экспериментального стенда для тестирования водородной системы резервного электроснабжения.
Этап 2. Экспериментальные исследования характеристик металлогидридных материалов и обоснование конструкционных решений.
2.1 Определение водород-аккумулирующих характеристик гидридобразующих материалов с целью выбора оптимального состава систем металл-водород.
2.2. Определение кинетических и термодинамических характеристик систем металл-водород.
2.3. Выбор конструкционных решений металлогидридного аккумулятора водорода.
2.4 Разработка эскизной конструкторской документации на стенд для тестирования водородной системы резервного электроснабжения.
2.5 Изготовление стенда для тестирования водородной системы резервного электроснабжения
2.6 Закупка водород- воздушных топливных элементов.
Этап 3. Разработка и изготовление металлогидридного аккумулятора.
3.1. Приготовление металлогидридного материала для макета аккумулятора водорода.
3.2. Исследование технико-эксплуатационных характеристик металлогидридного материала.
3.3. Разработка комплекта эскизной конструкторской документации на макет металлогидридного аккумулятора водорода.
3.4. Изготовление макета металлогидридного аккумулятора водорода.
3.5. Выбор и обоснование коммерческого электрохимического генератора водорода.
3.6. Закупка комплектующих для создания металлогидридных аккумуляторов водорода.
3.7. Разработка ТЗ на автоматизированную систему управления (АСУ) водородной системой резервного электроснабжения и аккумулирования энергии
Этап 4. Разработка образца водородной системы резервного электроснабжения и аккумулирования энергии.
4.1. Разработка Программы и методики исследовательских испытаний макета металлогидридного аккумулятора водорода.
4.2 Проведение исследовательских испытаний макета металлогидридного аккумулятора водорода.
4.3 Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец водородной системы резервного электроснабжения и аккумулирования энергии.
4.4 Интегрирование макета металлогидридного аккумулятора водорода с электрохимическим генератором водорода, отладка режимов работы.
4.5 Интегрирование макета металлогидридного аккумулятора водорода с топливным элементом, отладка режимов работы.
4.6 Разработка рекомендаций по усовершенствованию, масштабированию и использованию разработанного макета металлогидридного аккумулятора водорода.
4.6. Закупка электрохимического генератора водорода.
4.7. Разработка и изготовление макета АСУ водородной системой резервного электроснабжения и аккумулирования энергии.
Этап 5. Обобщение и оценка результатов исследований, проведение испытаний системы резервного электроснабжения и аккумулирования энергии.
5.1 Изготовление экспериментального образца водородной системы резервного электроснабжения и аккумулирования энергии.
5.2 Разработка проекта ТЗ на проведение ОКР по теме «Создание водородной системы резервного электроснабжения и аккумулирования энергии».
5.3 Оценка полноты достижения задач НИР.
5.4 Разработка технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.
5.5 Разработка программы и методик исследовательских испытаний экспериментального образца водородной системы резервного электроснабжения и аккумулирования энергии.
5.6 Проведение исследовательских испытаний экспериментального образца водородной системы резервного электроснабжения и аккумулирования энергии.
5.7 Проведение технико- экономической оценки рыночного потенциала водородной системы резервного электроснабжения и аккумулирования энергии.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Область применения результатов проекта:
Электроэнергетика: резервное электропитание вместо дизельных генераторов и электрохимических аккумуляторных батарей.
Телекоммуникация: повышение надежности электропитания оборудования.
Электротехника: бесперебойное питание ключевых узлов корпоративной сети и критичных объектов.
Возобновляемая энергетика: повышение эффективности использования солнечных и ветровых электрогенераторов.
Промышленная энергетика: выравнивание суточного графика нагрузки в бытовых и промышленных электросетях.
Потенциальные потребители результатов:
ОАО «Ростелеком», ОАО «МТС», ОАО «Вымпелком», ОАО «Мегафон», Heliocentris Energy Solutions AG (Германия), УФМС и ПФР Оренбургской области, ЗАО «Газпром инвест Юг», ОАО «ЦИУС ЕЭС»
Эффекты внедрения результатов проекта:
Снижение эксплуатационных затрат в 5 раз при обеспечении функционирования систем резервного электропитания.
Снижение суммарных затрат владения более чем на 10% при сроке эксплуатации более 5 лет.
Повышение надежности до вероятности безотказной работы после 3 лет эксплуатации > 0,995.
Повышение экологичности из-за наличия в выбросах только водяного пара и отсутствия необходимости переработки вредных и загрязняющих веществ после завершения срока эксплуатации.
Повышение эффективности использования возобновляемых источников энергии с помощью систем аккумулирования энергии путем увеличения коэффициента использования установленной мощности > 0,5.

Текущие результаты проекта:
В 2015 году получены следующие результаты:
Определены водород-аккумулирующие характеристики гидридобразующих материалов и выбраны оптимальные составы.
Определены кинетические и термодинамические характеристики металлогидридных систем.
Выбраны конструкционные решения металлогидридного аккумулятора водорода.
Разработана эскизная конструкторская документация на стенд для тестирования водородной системы резервного электроснабжения.
Изготовлен стенд для тестирования водородной системы резервного электроснабжения.
Закуплена система водород-воздушных топливных элементов компании Heliocentris (Германия) .
Подготовлены к монтажу узлы и модули для изготовления макета металлогидридного аккумулятора водорода с объемом выделяемого водорода 15 куб.м.
Проведен выбор коммерческого электрохимического генератора водорода для использования в водородной системе резервного электроснабжения и аккумулирования энергии.
Опубликованы 2 статьи в журнале Journal of Alloys and Compounds, индексируемом в Web of Science (импакт-фактор = 2,95).
Зарегистрировано «ноу-хау» и подана заявка на полезную модель.
Сделаны 3 устных доклада по результатам выполнения проекта на научных конференциях.