Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0123

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0123
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Название доклада
Разработка и создание экспериментального образца водородной системы резервного электроснабжения.
Докладчик
Борзенко Василий Игоревич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели исследования:

1. Разработка новых технических решений, обеспечивающих повышение надежности электропитания телекоммуникационного оборудования и снижение экологической нагрузки на природу за счет применения водородных технологий аккумулирования энергии.
2. Создание экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии (ВСРЭ).
3. 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.

Достижение целей исследования требует решения следующих основных научных и технических задач:

1. теоретические и экспериментальные исследования процессов тепломассообмена в металлогидридных устройствах хранения водорода;
2. создание новых гидридообразующих материалов для обеспечения требований по безопасности коммерческих систем (макс. давление 0,07 МПа), а также, материалов c улучшенными экономическими показателями;
3. исследование свойств новых гидридообразующих материалов;
4. оптимизация потоков энергии и массы для повышения общей эффективности ВСРЭ;
5. отработка алгоритмов и создание системы управления ВСРЭ;
6. оценка рыночного потенциала результатов ПНИ для демонстрации преимуществ ВСРЭ в сравнении с традиционными технологиями.
Актуальность и новизна исследования
Благодаря высокому КПД энергоустановки на базе топливных элементов (с твердополимерным и щелочным электролитом) рассматриваются в качестве перспективных источников энергии в киловаттном классе мощности. При разработке таких систем аккумулирования электроэнергии основные научно-технические барьеры связаны с созданием энергоэффективных систем очистки и хранения водорода, интегрированных с топливными элементами.
Среди разрабатываемых новых технологий и устройств очистки и хранения водорода для автономной энергетики экономически приемлемыми и безопасными могут стать устройства и системы, основанные на использовании обратимых металлогидридов (МГ) – интерметаллических соединений (ИМС), способных избирательно и обратимо поглощать водород. При этом основная масса водорода в системе находится в связанном твердофазном состоянии, что обеспечивает повышенную безопасность при эксплуатации. Важным потребительским качеством металлогидридных систем является возможность работы с водородом низкого давления и отказа от использования газовых баллонов, содержащих водород под давлением до 20 МПа. Расчеты энергетического баланса систем водородного аккумулирования энергии с использованием металлогидридов в энергоустановках на основе ВИЭ для условий средней полосы РФ показывают, что при использовании тепловых потерь от электролизера и топливного элемента для теплообеспечения металлогидридных реакторов в процессах десорбции и компримирования водорода может быть осуществлена их эффективная регенерация, и полная эффективность использования энергии первичных ВИЭ может достигать 60%, а коэффициент рекуперации электроэнергии – 35…40%.
Описание исследования

Водородные энергоустановки на топливных элементах в источниках бесперебойного питания рассматриваются как альтернатива дизель-генераторам и аккумуляторным батареям. Основная научно-техническая задача проекта состоит в создании научно-технического задела по технологиям обеспечения 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.

Анализ литературных данных показывает, что существует три основных направления систем аккумулирования энергии для телекоммуникационного оборудования мощностью до 10 кВт:

  • Системы на аккумуляторных батареях;
  • Системы с использованием дизель-генераторов;
  • Системы с водородным аккумулированием энергии.

Разрабатываемая в ходе выполнения проекта ВСРЭ должна превысить мировой уровень по времени автономной работы, экологической чистоте и безопасности хранения водорода за счет использования металлогидридных технологий. Предполагаемая архитектура ВСРЭ включает систему водоподготовки, электролизер, систему хранения водорода низкого давления, топливный элемент и систему управления всеми элементами ВСРЭ. 

Выполненные предварительные исследования показывают необходимость проведения прикладных НИР для решения следующих задач:

  • создания экспериментального образца и разработки по результатам испытаний технического предложения для проведения ОКР по разработке типового решения по бесперебойному питанию телекоммуникационного оборудования мощностью от 10 кВт с использованием аккумулирования энергии в водороде;
  • повышения эффективности, уровня надёжности и автоматизации резервных генераторов электроэнергии за счет использования водородной энергоустановки на базе низкотемпературных элементов;
  • повышения энергоэффективности систем бесперебойного питания телекоммуникационного оборудования за счет производства водорода на месте путем электролиза воды, в том числе за счет возобновляемых источников энергии;
  • повышения безопасности хранения водорода за счет применения металлогидридных аккумуляторов водорода, запасающих водород в твердофазном связанном состоянии и работающих при давлениях ниже 1 МПа
  • сокращения расходов, связанных с обеспечением технологического оборудования резервным электропитанием за счет установки энергоэффективного оборудования;
  • получения результатов математического моделирования и экспериментальных данных для определения технико-экономической эффективности применения новых водородных технологий;
  • обеспечения экологической безопасности источников бесперебойного питания за счет отказа от использования неэффективных энергоустановок на углеводородных топливах, снижения зависимости от аккумуляторных батарей и использования возобновляемых источников энергии.

 

 

 

 

Результаты исследования

В результате исследования показано, что запросы телекоммуникационной отрасли по замене морально устаревшего, ненадежного оборудования резервного электроснабжения объектов связи требуют разработки новых технических решений, при этом, одной из альтернатив является использование водородного аккумулирования электрической энергии в системах низкого давления с производством водорода на месте электролизом из подготовленной воды. 

По результатам экспериментального исследования процессов тепломассообмена экспериментально верифицирована математическая модель работы металлогидридных реакторов, продемонстрирована возможность работы металлогидридных реакторов хранения и очистки водорода конструкции ОИВТ РАН в бескризисном режиме.

Изготовлена экспериментальная партия 200 кг интерметаллического соединения LaNi4.8Al0.2 для использования в реакторе хранения водорода. Проведены испытания по определению изотерм десорбции и определены термодинамические характеристики. 

Выполнен анализ действующей в телекоммуникационной отрасли нормативной базы и выработка требований к водородной системе резервного электроснабжения. Потенциальный объект применения ВСРЭ – городская АТС не подпадает ни под одну категорию опасности, приведенную в Приложении 1 действующего Федерального закона от 21 июля 1997 г. N 116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных производственных объектов", что значительно сокращает издержки оператора проводной связи общего назначения, как в плане подготовки персонала, так и при регистрации объекта в органах технического надзора.

Проведены экспериментальные исследования системной интеграции элементов ВСРЭ для определения алгоритмов управления и оптимизации режимов работы ВСРЭ. В выбранных диапазонах режимных параметров не наблюдалось явлений, связанных с кризисом массопереноса, т.е. выбранные режимы являются сбалансированными по теплообмену и могут быть положены в основу функционирования ВСРЭ.

Выполнено моделирование металлогидридного реактора хранения водорода низкого давления (РХН), показано, что РХН обеспечивает выделение водорода с расходом 120 норм.л/мин, что с запасом обеспечивает потребность энергоустановки в топливе.

Изготовлен экспериментальный образец ВСРЭ. По результатам функциональных испытаний ВСРЭ  доработана эскизная конструкторская документация.

Выработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

Выполнено технико-экономическое исследование перспектив снижения себестоимости производства водородной системы резервного электроснабжения. В настоящее время капитальные затраты на ВСРЭ почти в 3 раза превосходят капитальные затраты на сходную по параметрам систему, использующую аккумуляторные батареи, при этом расходы на эксплуатацию ВСРЭ существенно ниже, и уже после 8-го года эксплуатации ВСРЭ суммарные затраты становятся меньше затрат на систему с АКБ. Показано, что основными характеристиками, влияющими на себестоимость ВСРЭ являются стоимость устройств с протонпроводящей мембраной  и стоимость водородопоглощающего материала. Рынок водородных технологий в настоящее время только развивается, серийное производство топливных элементов и компактных электролизеров с протонпроводящими мембранами начинается в зарубежных странах и в России, это приводит к существенно завышенным ценам на элементы ВСРЭ. 

 

Практическая значимость исследования
Результаты исследования направлены на замену устаревшего неэффективного оборудования резервного электроснабжения электроприемников объектов связи I категории (от 1024 до 10000 портов) и I категории особой группы (от 10 000 портов), а именно ДГУ и части ЭПУ для повышения надежности и снижения операционных затрат. Объекты ОАО «Ростелеком» (переговоры между ООО ЦЭЭ Интеррао и ОАО «Ростелеком» о проекте НИОКР «Разработка и создание системы резервного энергоснабжения на основе связанного водорода низкого давления»), стадия: подготовка предложения для БИК.
Интерес к результатам исследования проявлен также со стороны следующих организаций: ФГУП РТРС, ФГУП Росавтодор, ООО «Русские башни».
Планируемые результаты промышленного внедрения:
- в результате выполнения проекта НИОКР «Разработка и создание системы резервного энергоснабжения на основе связанного водорода низкого давления» (договор между ООО ЦЭЭ ИНТЕРРАО ЕЭС и ОАО «Ростлеком»): планируется выход на опытную партию 10 систем в год со сроком окупаемости 3 – 4 года.