Новые разработки в сфере мини-ТЭЦ

Мини-ТЭЦ – это установки, предназначающиеся для использования в многоквартирных и одноквартирных домах, а также на мелких предприятиях. Для жилых домов их мощность составляет от нескольких сотен ватт до 5 кВт. Для малых промышленных предприятий – свыше 5 кВт. Для применения в жилых домах имеется две новые перспективные технологии, способные в среднесрочной перспективе соответствовать требованиям по стоимости и общему КПД при очень незначительной эмиссии вредных веществ в атмосферу: стирлинг-моторы и топливные элементы. В промышленности, предъявляющей более высокие требования к энергии, чем жилой фонд, и нуждающейся дополнительно в технологическом паре, выгоднее использовать небольшие газовые турбины.

Новые разработки в области газовых турбин с внутренней рекуперацией тепла, параллельной работой генераторов, силовой электроники с регулированием напряжения вне зависимости от скорости вращения позволяют достичь сравнительно высокого КПД при частичной нагрузке вплоть до 10 кВт при незначительной эмиссии и сравнительно небольших инвестиционных расходах. Топливные элементы характеризуются очень высоким КПД при полной или частичной электрической нагрузке и имеют чрезвычайно низкие показатели эмиссии вредных веществ. Стирлинг-моторы имеют низкий уровень шума и почти не нуждаются в обслуживании, а также характеризуются очень незначительной эмиссией благодаря использованию внешнего непрерывно горящего источника тепла. Эти технологии пригодны для использования в низкоэмиссионных электрогенерирующих отопительных приборах.

Использовать мини-ТЭЦ в одноквартирных и многоквартирных жилых домах, по мнению разработчиков, можно с встроенной отопительной частью для покрытия тепловых пиков и без нее. В любом случае предполагается чрезвычайно большое количество пусков или же работа в условиях неполной загрузки по сравнению с нормальной работой мини-ТЭЦ. Разработки в области топливных элементов сконцентрированы на типах ПЭМ и SOFC. В силовых установках со стирлинг-агрегатами используются различные виды конструкций.

Мини-ТЭЦ сейчас работают на базе газовых моторов и газовых турбин. Нижняя граница электрической мощности, при которой работа ТЭЦ на базе газовых моторов еще представляется целесообразной, составляет модульную величину порядка 5 кВтэл, а на базе газовых турбин -500 кВтэл. Для коттеджей и многоквартирных домов или для небольших производств необходимы ТЭЦ значительно более низкой мощности. Две новые концепции – топливные элементы и стирлинг-моторы – в силу их специфических свойств вселяют надежду, что их можно будет применять в жилом секторе. Эксплуатация на природном газе обеспечивает им практически бесшумную работу и незначительное количество вредных веществ, что делает их применение в жилых и производственных постройках целесообразным как с технической, так и с экологической точки зрения. Успешный выход на рынок в любом случае предполагает экономическую конкурентоспособность по отношению с сегодняшнему стандарту, т.е. теплоснабжению через отопление в сочетании с полным электроснабжением от сети.
Топливные элементы

Топливные элементы представляют собой электрохимические преобразователи типа батареек, но с непрерывной подачей продуктов реакции. Они непосредственно преобразуют поступающие продукты реакции (водород и кислород) в электричество, тепло и воду. В результате этого проявляются такие важные свойства топливных элементов как высокий электрический КПД при полной и частичной загрузке при очень незначительной эмиссии вредных веществ, которая возникает из-за подключения горелочного устройства для подготовки водорода из жидких энергоносителей. При использовании в ТЭЦ кислород получают из окружающего воздуха, а водород – недорого и с минимальной эмиссией – из природного газа. Отсутствие механических компонентов в батарее элементов дает основание ожидать, что они почти не будут нуждаться в техобслуживании и будут иметь продолжительный срок эксплуатации.

Необходимость решать вопросы экологии и желание производить полезную энергию рационально и щадя окружающую среду дали толчок развитию различных технологий топливных элементов, в том числе и для мини-ТЭЦ с использованием жидких энергоносителей, К ним относятся:

  • полимерно-электролитические топливные элементы (полимерно-электролитические мембраны (Fuel Cell, РЕМ или PMFC);
  • фосфорно-кислотные топливные элементы (фосфорно-кислый Fuel Cell, PAFC);
  • топливные элементы из карбонатного сплава (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC);
  • минералокерамические топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC).

Топливные элементы различаются по виду используемого электролита и рабочей температуре (табл. 1).

PEM (ПЕМ) PAFC MCFC SOFC
электролит фторированная полимерная пленка фосфорная кислота расплав карбоната со стсабилизированным иттрием диоксидом циркония
рабочая температура, °С 80 200 650 700-1000
системный КПД, % 40 40 50-60 50-60

В принципе можно считать, что низкие рабочие температуры предъявляют низкие требования к материалам относительно выносливости и, напротив, высокие требования к газоподготовке, и дают более низкий КПД. Абсолютно противоположная ситуация у топливных элементов с высокими рабочими температурами. Разработки по применению PAFC и MCFC в мини-ТЭЦ в настоящее время приостановлены. Эти типы обусловливают при холодном пуске переход электролита из твердой в жидкую фазу. Так как в самом малом классе мощностей требуется частое повторение процесса пуска, это приводит к тому, что фаворитами становятся топливные элементы типа РЕМ (ПЭМ) и SOFC с твердым электролитом.
Топливные элементы с полимерно-электролитической мембраной (РЕМ – ПЗМ)

Электролит ПЭМ состоит из тончайшей полимерной пленки. Реакция в элементе эpтого типа протекает при температуре на уровне 80°С, в силу чего возможности использования уходящего тепла ограничены. К качеству топливного газа и его подготовке предъявляются высокие требования. Положительными качествами ПЭМ являются невысокие термические требования к материалу, высокая мощностная плотность и способность к быстрому и холодному пуску. Недостатком является то, что большая мощностная плотность обусловливает работу батареи элементов с высоким давлением. Это создает необходимость в дополнительных механических компонентах, затратах на регулирование и шумовой эмиссии.

Для ПЭМ требуется устройство предварительной газоподготовки, включающее в себя удаление серы и Shift-конвертор для оксидации вредного для стопки топливных элементов СО, так что загрязнение горючего газа должно быть сокращено до минимума. На рис. 1 показана схема полной силовой установки с топливными элементами в том виде, в каком она разработана фирмой “Вайлант” для параллельной работы с сетью. Система в целом дополняется горелкой дожига (форсажной камерой), теплоносителем (теплопередачей) для отбора полезного тепла и инвертором (преобразователем постоянного тока в переменный).

схема энергетической установки

Горелка дожига использует избыточный горючий газ стопки элементов для производства тепла, а инвертор преобразует постоянный ток стопки элементов в обычный для домашней электросети переменный ток. Топливные элементы ПЭМ при условии предварительного реформинга достигают электрического КПД порядка 40%.
Топливные элементы с полимерно-электролитической мембраной (SOFC)

Топливный элемент SOFC имеет керамический электролит. Это является его достоинством, так же как и у ПЭМ, из-за многократных процессов пуска. Однако для достижения способности вступать в реакцию и уменьшения теплового напряжения этот элемент нуждается в предварительном подогреве. Рабочие температуры достигают уровня 900°- 1000°С; проводится работа в направлении снижения рабочей температуры до уровня ниже 700°С. Высокая температура создает возможности для работы топливного элемента SOFC на природном газе с энергетически выгодным внутренним реформингом и для использования недорогих катализаторов, не содержащих благородных металлов. Ожидаемый електрический КПД системы составляет порядка 50%.

принцип действия мини-ТЭЦ

Для использования в мини-установках для комбинированного производства тепловой и электрической энергии фирма “Зульцер-Хексис” (Sulzer-Hexis) разработала силовую установку для параллельной сетевой работы. Топливный элемент фирмы “Зульцер-Хексис” является удачным вариантом решения проблемы плотности при тепловом расширении по сравнению с обычными стопками элементов. На рис. 2 показана принципиальная схема установки в целом. В классе мощностей от 1 до 3 кВТэл сегодня уже производятся полевые испытания. Элемент SOFC имеет перспективы только для применения в сфере комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Из-за отсутствия синергизма с мобильными установками ожидаются меньшие партии по сравнению с ПЭМ. Связанные с этим незначительные резервы снижения затрат должны, с экономической точки зрения, чем-то компенсироваться, например, за счет более высокого КПД или уменьшения затрат на реформинг.

Силовые установки с топливными элементами

Типы актуальных разработок по мини-установкам приводятся в табл. 2. Корпорация Plug Power разработала для американского рынка концепцию ПЭМ в качестве чистого электрогенератора с целью замены центрального электроснабжения таких крупных потребителей электроэнергии в жилых домах, как кондиционерные системы, без потерь на распределение. Первое полевое испытание работы установок на чистом водороде проводится в США в одном из коттеджей с 1998 г. Тем временем продолжалась разработка установки, работающей на природном газе. В ближайшие два года будут проводиться полевые испытания в г. Нью-Йорк. Для Европы разрабатываются установки с отбором тепловой энергии.

Тип Изготовитель Мощность эл./тепл. (кВт) Исполнение
PEM American Fuell Cell Corp 3/8 режим работы параллельно с сетью/изолир. режим работы
PEM Вайлант 5/35 режим работы паралельно с сетью с дополнительным внутренним отоплением
PEM Plug Power Corp. 7/- чистое производство тока
PEM Сименс 5/9 режим работы параллельно с сетью
SOFC Зульцер-Хексис 1/3 режим работы параллельно с сетью

На фирме “Вайлант” продвигается разработка электрогенерирующего отопительного устройства с топливным элементом. В соответствии с проектом целью разработки является устройство, имеющее размеры обычного отопительного котла. Готовятся полевые испытания. Первая серия этих приборов, предназначенных для эксплуатации в маленьких коттеджах, появится на рынке в 2002 году. За ними последуют меньшие приборы для коттеджей. Отопительные приборы с топливным элементом SOFC фирмы “Зульцер-Хексис” в настоящее время проходят полевые испытания в Германии и Швейцарии, в частности, на фирме “Тиссен-газ” в Дуйсбурге и EWE в Олденбурге. Перечень приборов с отопительными элементами приводится в табл. 3.

Тип
Изготовитель
Партнер/пользоватнль
Полевые испытания
PEM American Fuell Cell Corp HGC; VNG
Heingas
Rhenag
Wingas
Erdgashaus Maxepн
Гамбург
Мюльгайм (Рур)
Людвигсбург (запланир.)
PEM Вайлант в стадии подготовки
PEM Plug Power Corp. штат Нью-Йорк США
PEM Сименс
SOFC Зульцер-Хексис Thyssengas
EWE
Дуйсбург
Олденбург

Стирлинг-моторы

Стирлинговый мотор нагретого газа восходит к изобретению Роберта Стирлинга (Великобритания), сделанному в 1816 году. С конца 80-х годов во всем мире проводится усиленная разработка стирлинговых моторов небольшой мощности с целью их использования в мини-ТЭЦ. Некоторые из них применяются в демонстрационных установках и при полевых испытаниях мини-ТЭЦ.
Принцип действия и свойства стирлингового мотора

Принцип действия мотора основывается на замкнутом тепловом процессе с внешним источником тепла, а также отводом тепла. Рабочая среда колеблется вследствие изменения объема между источником тепла и отводом тепла и при этом производит работу на рабочем поршне и вытеснительном поршне (для подачи топлива), которые разделяют два рабочих объема между источником тепла и отводом тепла. Важным признаком стирлинговых моторов является то, что среда во время процесса переливания между рабочими пространствами должна проходить рекуператор, где она попеременно отдает тепло и снова (частично) получает. Возможности применения механических свойств стирлингового процесса многообразны.

В мини-ТЭЦ в качестве источника тепла можно использовать тепло уходящих газов от отопительной установки. Остающееся тепло уходящих газов, равно как и тепло от теплоотвода могут далее отводиться для целей отопления, а избыточная механическая мощность может использоваться для производства электроэнергии. Это обеспечивает высокий общий КПД и теоретически также высокий электрический КПД.

Однако на практике высокий электрический КПД не достигается. Сложности с его получением возникают из-за теплопереноса как на горячем, так и на холодном конце, а также на рекуператорах, требующих больших площадей переноса и достаточного времени переноса. На практике достигается электрический КПД порядка 35%, причем на небольших агрегатах прослеживается тенденция скорее к 15%.

Для мини-ТЭЦ решающее значение имеет очень высокий общий КПД. Электрический ток возникает как побочный продукт при производстве тепла. Прочими достоинствами стирлингового мотора являются низкие показатели вредных веществ внешнего горения, работа мотора с низким уровнем шума, а также потенциально большой срок службы при незначительном техобслуживании.

Разработка мини-ТЭЦ со стирлинговыни моторани

Табл. 4 дает представление о текущих разработках и их статусе. Компания “Бритиш газ” на основе стирлингового мотора с линейным самобалансным колебателем разработала демонстрационный образец настенного устройства для бытового использования и с 1997 года уже в достаточной мере испытала его. Агрегат используется как соответствующее отопление дома и при этом дополнительно производит ток с электрическим КПД 15%

Тип Изготовитель Полевые испытания Мощность эл./тепл. (кВт) КПД(эл)/КПД(общ)
самобалансный колебатель STC (США) и Бритиш газ Бритиш газ 1/5 >15
Одноцилиндровый альфа-стирлинговый мотор (кинематич) Сигма Норвегия 3/9 расчетные данные 20-25/80-95
Одноцилиндровый альфа-стирлинговый мотор (кинематич) самобалансный колебатель СИГ Швейцария Газуния (Нидерланды)
Городские сети в Швейцарии
1,1/5,5 расчетные данные при конденсации уходящего газа 25/94
четырехцилиндровый альфа-стирлинговый мотор (кинематич) Виспер-Джен Новая Зеландия Газуния (Нидерланды) 0,75/5 10

Швейцарская фирма “СИГ” (SIG) также разрабатывает агрегат с линейным самобалансным колебателем. Это устройство, предназначающееся как для параллельной работы с внешней сетью, так и изолированной работы (принцип острова), имеет такие расчетные параметры: электрический КПД около 25% и общий КПД более 94% при конденсации уходящих газов. Полевые испытания первых прототипов начаты в феврале 2000 г. фирмы “Сигма” из Норвегии и “Виспер-ген” из Новой Зеландии специализируются на кинематических стир-линговых моторах с кривошипно-шатун-ным механизмом “Сигма” или с криво-дисковым приводом “Виспер-ген”.

Планируются полевые испытания агрегатов “Сигма”. Полевые испытания агрегатов “Виспер-ген” проводятся с конца 1998 г. в Нидерландах. Новозеландский агрегат, работающий на жидком топливе, был разработан для электроснабжения малых судов и удаленных дачных домов. В Нидерландах фирма “Витрон энерги” (Vietron Energie) продает соответствующие приборы по цене около 20 000 немецких марок. Для бытового применения они были доработаны и встраиваются в котельную систему с теплонакопителем.

Новые компактные газовые турбины для мини-ТЭЦ

Газовые турбины находят широкое применение в производстве электроэнергии в GuD-процессах или как агрегаты пикового тока. Электрический КПД больших установок составляет 35 -38%, характеристики при частичной нагрузке скорее неудовлетворительные. Однако большой срок службы, очень незначительные инвестиционные затраты в мегаваттом диапазоне мощностей, большая доля пригодной для использования энергии уходящих газов и очень небольшая эмиссия вследствие непрерывного горения являются достоинствами этой технологии. Поэтому до настоящего времени было нецелесообразно применять турбины в диапазоне мощностей менее 500 кВтэл. Это стало возможным только в результате комбинации двух мероприятий: рекуперации и обратной подачи части объемного потока уходящего газа в компрессор с одной стороны и прямого присоединения генератора. В сочетании с не зависящим от скорости вращения инвертированием тока посредством силовой электроники достигаются наряду с приемлемыми показателями электрического КПД более 25% и общего КПД более 70% также хорошие показатели КПД при неполной нагрузке. Эти последние параметры имеют решающее значение для использования на небольших объектах.

Небольшие газовые турбины в настоящее время разрабатываются многими производителями, такими, к примеру, как Allied Signal Engines, Northern research & Engineering Corp., Turbec, Capstone Turbine и Bowman. Образцовыми считаются разработки фирм Capstone и Bowman, фирма Bowman предлагает свою газовую турбину с переменной рекуперацией для приспособления к разным тепловым потребностям в классе величин 45 кВтдл. Планируется также вариант на 60 кВтэл. Газовая турбина фирмы Capstone дооборудована фирмой ГАЗ (GAS) для потребителей тепла на европейском рынке. Этот агрегат имеет мощность более 28 кВтэл при КПД около 26% и общем коэффициенте использования свыше 70%. Агрегат может при неполной нагрузке развивать мощность до 10 кВтэл при КПД менее 18%. Используемая температура уходящих газов составляет от 250 до ЗОО°С.

Примеры исполнения малых мини-ТЭЦ демонстрируют достаточно высокое развитие. В целом можно отметить больший интерес к мини-ТЭЦ, основанным на топливных элементах. Это объясняется их более высоким электрическим КПД, которого можно достичь даже в диапазоне неполной нагрузки и с небольшими капиталовложениями, а также тем финансовым толчком к их разработке, который исходит от автомобильной промышленности. Особенно топливные элементы ПЭМ имеют большой потенциал для снижения затрат.

Таким образом, топливные элементы располагают хорошим соотношением выполняемой работы и инвестиционных затрат. Однако именно по топливным элементам эти затраты пока что очень велики. Предполагаемый потенциал по снижению затрат еще только предстоит реализовать.

Здесь стирлинговые агрегаты, по крайней мере в среднесрочной перспективе, имеют преимущество. В силу того, что их технология изготовления сопоставима с технологией изготовления традиционных моторов внутреннего сгорания, их потенциал по снижению затрат легче рассчитать. Однако здесь особенно в недорогих, простых решениях достигается более низкий электрический КПД порядка 15 – 20%. Преимущество заключается в возможности их сочетания с модифицированными отопительными установками домов, а также в низких показателях эмиссии вредных веществ, уровня шума и необходимости техобслуживания.

Шансы утверждения на рынке подобных мини-ТЭЦ существенным образом определяются необходимыми инвестиционными расходами.
Малые газовые турбины уже запущены в серийное производство. Примеры показывают, что имеется отличный потенциал для данного применения при конкурентоспособных инвестиционных затратах и длительном сроке службы. Успех этих установок не заставит себя ждать.

По материалам журнала “Электропанорама” №5/2000.