Электрохимические преобразователи энергии в системах децентрализованного энергоснабжения

Полный текст

Введение

Развитие энергетики в мире сегодня подчиняется требованиями повышения ее эффективности, экологичности и сопровождается существенным изменением структуры генерации. По данным международного агентства по возобновляемым источникам энергии, доля установленной мощности возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в 2023 г. в мире достигла уже 26.7% и составила 3 870 ГВт (~2195 ГВт в 2017 г.) [1]. Гидроэлектростанции, которые еще недавно были единственными весомыми представителями ВИЭ в структуре мировой энергетики, сегодня покрывают лишь половину этой мощности. Драйверами роста ВИЭ стали солнечные (СЭ) и ветровые (ВЭ) электростанции. Установленная мощность только ветровой генерации в мире на 2023 г. составила около 1 000 ГВт, что почти в 4 раза превосходит установленную мощность всей электрогенерации РФ. Мировая ветрогенерация в 2023 г. выработала почти 2.5 тераватт-часа электроэнергии. Она стала важным источником энергии в Европе. В 2023 г. доля ВИЭ от общего объема электрогенерации в Испании составила 50%. При этом доля ветрогенерации от общего объема электрогенерации в Испании составила 23%, в Великобритании – 29%, Дании 25%, в Бельгии – 10%, Нидерландах – 7% и Германии – 5% [2]. Россия также развивает свою энергетику в русле повышения ее экологичности, но основной упор сделан на рост доли использования природного газа на тепловых станциях, как наиболее дешевого и доступного энергоносителя. Ветровая генерация в РФ так же, как и в Европе, развивается путем создания подключенных к централизованной сети ветропарков, число которых достигло 15. Ведущую роль здесь играет ГК “Росатом” (АО “НоваВинд”) за счет локализации в РФ производства ВЭУ 2.5 МВт L 100 2.5 MW по лицензии Lagerwey [3, 4]. Суммарно подключенные к сети ветроэнергетические мощности в 2023 г. достигли 1 ГВт [4]. Вместе с тем, для РФ более актуально, на наш взгляд, использование ветрогенерации для энергоснабжения территорий, которые сегодня активно развиваются, но не охвачены централизованным энергоснабжением. Проблемы использования ВИЭ при автономном энергоснабжении связаны с неравномерностью поступления энергии, а также с конфликтом между потреблением и генерацией энергии в различные периоды времени. В связи с этим возрастает роль накопителей электрической энергии, при этом роль электрохимических преобразователей энергии, которые могут выполнять как функцию генераторов энергической энергии, так и функцию накопителей энергии, будет существенно возрастать [5–9].

Сегодня предлагаются различные решения для гарантированного электро-теплоснабжения энергоизолированных потребителей как на основе совершенствования существующих технологий (дизель-электростанции и котельные), так и новых (газотурбинные электростанции, плавучие атомные электростанции). Однако, на наш взгляд, для потребителей с высоким потенциалом ВИЭ наиболее универсальными и экологичными являются схемы энергоснабжения на основе солнечной и ветровой генерации с использованием электрохимических накопителей энергии.

Электрохимические преобразователи энергии

Устройства электрохимической энергетики – это электрохимические преобразователи энергии (ЭХПЭ), в которых химическая энергия активных веществ (реагентов) преобразуется в электрическую энергию, либо электрическая энергия преобразуется в химическую энергию образующихся веществ. Основные типы устройств электрохимической энергетики представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Электрохимические преобразователи энергии

Электрохимические преобразователи энергии	Реагенты внутри устройства	Реагенты подаются извне	Производят электрическую энергию	Вырабатывают активные вещества	Потребляют электрическую энергию
Топливные элементы	–	+	+	–	–
Первичные химические источники тока	+	+	+	–	–
Аккумуляторные батареи	+	–	+	+	+
Проточные редокс-батареи	–	+	+	+	+
Электрохимические суперконденсаторы	+	–	+	+	+
Электролизеры разложения воды	–	+	–	+	+
Регенеративные топливные элементы	–	+	+	+	+

 

Рассмотрим возможности и примеры использования ЭХПЭ в различных схемах автономного энергоснабжения различных потребителей электрической энергии.

Первичные химические источники тока (ХИТ) используются для питания устройств малой мощности, а также там, где нужны высокая удельная энергия источника энергии (спецсредства, средства связи, кардиостимуляторы, пульты и т. п.) [10]. Электрохимические суперконденсаторы (ЭХСК) или ионисторы используются там, где в течение короткого времени нужно запасти и отдать потребителю высокую мощность (в поездах, подъемных кранах, лифтах, в схемах резервного питания [11]). Разрабатываются также более энергоемкие гибридные суперконденсаторы [12].

В аккумуляторных батареях (АБ) или вторичных химических источниках тока на электродах происходят обратимые электрохимические превращения [10, 13, 14]. Носимые устройства (телефоны, ноутбуки, электрический инструмент и др.) используют АБ, в первую очередь литий-ионные АБ (ЛИА), которые также стали трендом в транспортных средствах. Доля электромобилей на ЛИА превышает 10% в структуре продаж новых легковых автомобилей [13]. Аккумуляторные батареи сегодня являются наиболее эффективными и удобными электрохимическими накопителями электрической энергии и широко используются, например, в системах резервного энергоснабжения, многих других применениях [15]. Однако АБ имеют и недостатки. Их емкость ограничена размерами самого аккумулятора. Их использование в гибридных схемах автономного энергоснабжения вместе с фотоэлектрическими панелями в суточном цикле накопления будет эффективным при условии, что годовой приток солнечной энергии является относительно равномерным. Однако для РФ даже в самых благоприятных для солнечной энергетики южных регионах приток солнечной энергии в зимние месяцы в 3–4 раза ниже, чем в летние месяцы [6]. Таким образом, для гарантированного энергоснабжения потребителя нужны более емкие, чем АБ, накопители энергии, которые имеют возможность накапливать электрическую энергию не в самом устройстве, а в энергоносителе, находящемся вне устройства.

В проточных редокс-батареях (ПРБ) в режиме генерации электрического тока активные вещества в составе жидких электролитов (анолита и католита) подаются на анод и катод извне устройства. Накопление или генерация электрической энергии происходит за счет изменения степени окисления, например иона ванадия [16, 17]. Объем активных электролитов ПРБ не ограничен, однако скорости электрохимических превращений на электродах более чем на порядок ниже, чем в современных топливных элементах и электролизерах. Тем не менее, проточные редокс-батареи могут рассматриваться для стационарного применения, в том числе в гибридных схемах энергоснабжения, как более экономичный вариант накопителя.

Для систем накопления электроэнергии в схемах автономного энергоснабжения потребителей, имеющих неравномерные годовые графики генерации энергии ВИЭ и графики потребления электрической и тепловой энергии, интерес представляет также водородное накопление энергии. Водород здесь производится в электролизерах разложения воды и накапливается за счет избытка электрической энергии от ВИЭ. Использование водорода в водородно-воздушных топливных элементах позволяет генерировать электрическую энергию по мере необходимости. Количество вырабатываемой электрической энергии ограничено только размерами систем хранения реагентов и их количеством и напрямую не связано с самим устройством [5–9]. В отличие от АБ, рынок топливных элементов сегодня не является объемным (десятки тыс. шт. в год). Однако энергоустановки на топливных элементах с протонообменной мембраной (ПОМ ТЭ, PEM FC) достигли высокого уровня технологического развития, прежде всего в автомобильных применениях. За счет электрокатализа и правильной организации процессов отвода теплоты и управления потоками воды достигнуты высокие значения удельной мощности батареи топливных элементов (W_v = 5.4 кВт/л), а также удельной плотности энергии единичного топливного элемента ПОМ ТЭ (1.2 Вт/см²). Вольт-амперная характеристика таких ПОМ ТЭ имеет вид, представленный на рис. 1а, кривая 2 [18]. Перспективными применениями для топливных элементов являются не только электромобили на водороде, но и коммунальное электроснабжение, сетевые электростанции малой и средней мощности [5–9, 19].

 

Рис. 1. (а) Вольт-амперные характеристики электролизера ПОМ ЭВ 30 бар, 65°С (1) и топливного элемента ТЭ ПОМ (Mirai) (2), (б) Вид зависимости КПД энергетических установок от нагрузки: 3 – аккумуляторная батарея; 4 – электролизная установка; 5 – энергоустановка на топливных элементах; 6 – дизельная электростанция; 7 – газотурбинная электростанция.

 

Сегодня наиболее доступными для производства чистого водорода являются щелочные электролизеры (ЩЭ, AWE), которые, однако, по параметрам удельных энергозатрат, компактности и удобству эксплуатации имеют недостатки [5]. Более современные электролизеры разложения воды с протонообменной мембраной (ПОМ ЭВ, PEM WE) достигли высокого уровня технологического совершенства и сейчас выпускаются уже в виде установок с высокой производительностью до 200 кг Н₂/ч с выходным давлением 30 бар и удельными энергозатратами 53.2 кВт ч/кг Н₂ [20, 21]. Такой водород, производимый ПОМ ЭВ, имеет высокую чистоту (99.995%) и может использоваться в ПОМ ТЭ без дополнительной очистки. В ПОМ ЭВ реализуются высокие плотности токов и пологие ВАХ (рис. 1а, кривая 1) [20]. Однако ПОМ ЭВ более дорогие, так как требуют использования катализаторов на основе драгоценных металлов. Таким образом, вместе с более дешевыми, но менее компактными щелочными электролизерами ПОМ ЭВ сегодня рассматриваются как промышленные системы, интересные для зеленой энергетики [21]. Эффективное использование топливного элемента и электролизера в схемах энергоснабжения определяется, прежде всего, их вольт-амперными характеристиками (рис. 1а). Пологие ВАХ позволяют реализовать электрохимические устройства с повышенными удельными энергетическими характеристиками, меньшей материалоемкостью и более низкой стоимостью. Однако не менее важна зависимость коэффициента полезного действия (КПД) электрохимических преобразователей от нагрузки. Это важно для автономных потребителей, где суточный график нагрузки (СГН) не является равномерным и генерирующие устройства работают на режимах частичной мощности [5]. Как видно из рис. 1б, на частичных нагрузках КПД топливных элементов и электролизеров повышается, а у электростанций на двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных установках (ГТУ), напротив снижается.

В регенеративных топливных элементах (РТЭ), например в регенеративных водородно-кислородных топливных элементах, в режиме генерации электрической энергии в самом топливном элементе на электроды извне подводятся и потребляются активные вещества (водород и кислород). В режиме накопления энергии вырабатываются активные вещества (водород и кислород), как при электролизе воды. При этом используются одни и те же электроды, как в режиме работы топливного элемента, так и в режиме электролиза воды [22]. Однако до сих пор не удается создать коммерческие накопители и генераторы энергии на основе РТЭ. Это связано с различной кинетикой и сложностью подбора одних и тех же носителей и катализаторов, как для работы в режиме топливного элемента, так и в режиме электролизера.

Электрохимические преобразователи энергии и возобновляемые источники энергии в схемах автономного энергоснабжения

Электролиз воды – сегодня это промышленная технология для получения чистого водорода как технического газа с целью применения в целом ряде приложений в качестве агента–восстановителя (при химическом синтезе, в металлургии, электронной и стекольной промышленности, в электроэнергетике) [5]. Однако будущее так называемого “зеленого водорода”, как эффективного и экологичного энергоносителя, связывают с технологией электролиза воды и крупномасштабным его производством за счет электрической энергии возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в первую очередь крупных ветровых и солнечных электростанций. В связи с этим топливные элементы, как потребители этого “зеленого водорода” будут рассматриваться в качестве установок для крупномасштабного производства электрической энергии, а также в автомобилях на топливных элементах. Сегодня их использование ограничено отсутствием водородной инфраструктуры и локализовано по месту применения (например, складские погрузчики, коммунальное энергоснабжение), однако в будущем их применение в различных приложениях будет, безусловно, возрастать [5, 6].

В настоящее время имеются примеры расчетов, практических разработок и реализации схем автономного энергоснабжения, с использованием ВИЭ, например, на основе ветрогенераторов (ВГ, WT) или солнечных фотоэлектрических электростанций (СФЭЭ, РV). Автономная гибридная схема энергоснабжения основе ВГ и водородного аккумулирования энергии рассмотрена в работе [23]. Моделирование режимов работы проводилось по различным сценариям, использовался часовой интервал времени для параметров генерации и потребления. Также был проведен экономический анализ. В работе [24] представлена почасовая система управления энергопотреблением (СУП) для автономной гибридной системы на основе ВИЭ. СУП состоит из ВГ и СФЭЭ в качестве основных источников энергии, а также двух систем накопления энергии (водородная система и аккумулятор). Ветрогенератор и солнечные модули в данной схеме предназначены для работы на максимальной мощности, в то время как аккумулятор и водородная подсистема, состоящая из топливного элемента, электролизера и резервуара для хранения водорода, действуют как система поддержки и накопления. Схема использует нечеткое логическое управление для удовлетворения потребностей нагрузки в энергии и поддержания уровня заряда аккумулятора и уровня водорода в резервуаре в пределах определенных целевых значений. В качестве критериев оптимизации схемы выбраны стоимость использования и срок службы элементов схемы. В этой работе были учтены имеющиеся в продаже компоненты и ожидаемый срок службы оборудования в 25 лет. Существуют готовые программы для проектирования систем электроснабжения на основе солнечных фотоэлектрических панелей, в частности SOLARGIS PVPLANNER (Словакия), RETScreen (Канада), SAM(США), PV*SOL (Германия), PVsyst (Швейцария) [25], также ветрогенераторов [26, 27]. В настоящее время существуют две основные промышленные группы, работающие в направлении развития универсальных моделей для использования в моделировании ветрогенераторов – Western Electricity Coordinating Council (WECC) Renewable Energy Modeling Task Force (REMTF) и International Electrotechnical Commission (IEC), Technical Committee (TC), Working Group (WG) [27, 28]. Решение ETAP GridCode используется для проектирования, анализа, оптимизации и технического обслуживания систем возобновляемой энергетики, в том числе и с использование ветрогенераторов. Однако данные программы не содержат опций использования водородного накопления энергии, а также использования накопленного водорода для целей электроснабжения и теплоснабжения.

Децентрализованное энергоснабжение и ВИЭ

На наш взгляд, для РФ более актуально использование возобновляемых источников энергии, в частности ветрогенерации для энергоснабжения потребителей на территориях, которые не охвачены централизованным энергоснабжением. При этом электроснабжение и теплоснабжение должны рассматриваться в единой схеме энергоснабжения. Только в Дальневосточном федеральном округе (ДФО) 345 населенных пунктов с децентрализованным электроснабжением (рис. 2). Сегодня электроснабжение здесь обеспечивается в основном за счет дизель-энергостанций и привозного органического топлива. Их общая мощность составляет около 531 МВт. С учетом дорогого привозного топлива стоимость электроэнергии на ряде автономных объектов превышает 200 руб/(кВт ч). Для теплоснабжения используется также привозное топливо и частично местное топливо.

 

Рис. 2. Объекты децентрализованного электроснабжения в Дальневосточном федеральном округе РФ.

 

Очевидно, что энергообеспечение и развитие северных и восточных территорий РФ должно быть тесно связано с решением проблем экологии и базироваться на новых энергетических технологиях, использующих возобновляемые энергоресурсы (ветроэлектростанции, солнечные фотоэлектрические электростанции, геотермальные тепловые электростанции) [31, 6].

Обзор микрогенерации в РФ на основе ВИЭ проведен в работе [29]. В работе [30] изложены результаты опытно-конструкторской разработки автономной ветро-дизельной электрической установки (ВДЭУ) мощностью 10 кВт для районов Севера и Дальнего Востока, где отсутствует централизованное энергоснабжение. Особенно актуальна данная разработка для территорий с ежегодными “северными завозами”, где энергоснабжение осуществляется дизельными электростанциями [31, 6]. Однако подобные системы автономного энергоснабжения, как правило, рассматривают только электроснабжение потребителя и позволяют лишь снизить количество завозимого топлива.

Ветропотенциал Дальнего Востока и Севера РФ

Ветропотенциал является существенным энергетическим ресурсом в прибрежных районах Дальнего Востока и Севера РФ. Атлас ветров России указывает, что существует множество районов, где среднегодовая скорость ветра превышает 6.0 м/с, поэтому использование ветра как возобновляемого источника энергии является актуальной задачей. Наивысшие среднегодовые значения скорости ветра (6–7 м/с) зафиксированы вдоль берегов Баренцева, Карского, Берингова и Охотского морей. Другие районы с относительно высокой скоростью ветра (5–6 м/с) включают побережья Восточно-Сибирского, Чукотского морей и моря Лаптевых на севере и Японского моря на востоке.

В табл. 2 представлены данные ветропотенциала ряда поселков на Востоке и Севере России [32, 33].

 

Таблица 2. Характерные диапазоны скорости ветра (в днях), зафиксированные за 5-летний период наблюдений на высоте 50 м [32, 33]

Местонахождение, поселок	Среднегодовая скорость ветра, м/с	Количество дней минимальной скорости ветра		Диапазон скорости ветра с максимальным количеством дней
		м/с	дни	м/с	дни
Камчатка:
Усть-Камчатск	6.0	1 … 2.1	37	3.2 … 4.3	186
Соболево	6.8	1.1 … 2.1	28	4.4 … 5.5	148
Усть-Большерецк	6.08	1.1 … 2.2	35	4.1 … 5.1	161
Вилючинск	5.77	1 … 2	33	4 … 5	158
Ключи	4.18	0.6 … 1.39	19	2.8 … 2.97	197
Сахалин:
Новиково	7.07	1.2 … 2.3	14	4.5 … 5.6	170
Оха	6.12	0.9 … 1.87	10	4.78 … 5.85	180
Тымовское	5.43	1 … 1.83	20	3.49 … 4.32	181
Север:
Тикси	6.52	1 … 1.99	11	5.95 … 6.94	153
Айон	4.51	0.8 … 1.56	27	3.84 … 4.6	172
Усть-Оленек	6.09	0.63 … 2.15	25	5.95 … 6.91	147

 

Как видно, и на Сахалине, и на Камчатке есть большое количество поселков с высоким ветропотенциалом, особенно в прибрежной зоне. Их энергоснабжение осуществляется на основе дизель-электростанций, котельных и привозного топлива. Приведем пример использования электрохимических преобразователей энергии электролизеров и топливных элементов в альтернативной схеме энергоснабжения на основе ветрогенераторов без использования привозного топлива.

Альтернативная схема энергоснабжения автономных потребителей

Нами предложена альтернативная схема снабжения электрической и тепловой энергией автономных потребителей на основе парка ветрогенераторов и водородного аккумулирования энергии [33]. Схема обеспечивает гарантированное снабжение электрической и тепловой энергией автономных потребителей в точках с высоким потенциалом ветровой энергии, экологична и не требует использования привозного органического топлива (рис. 3).

 

Рис. 3. Схема автономного электро-теплоснабжения на основе ветрогенератора, электрохимических преобразователей энергии и водородного накопления энергии. Режимы: 1 – слабый ветер; 2 – средний ветер; 3 – сильный ветер.

 

Альтернативная схема содержит парк ветрогенераторов, размещенных локально в точках с высоким потенциалом ветра. Электрическая мощность, вырабатываемая ветрогенератором в данный момент, определяется текущей скоростью ветра и рассчитывается по кривой мощности ветрогенератора (N–W), и после электрических преобразований распределяется приоритетно (рис. 3). В первую очередь в период слабого ветра (режим 1) удовлетворяется потребность в электрической энергии (реактивная нагрузка) согласно суточному графику нагрузки потребителя (N – t). Если в текущий момент времени имеется избыток электрической энергии от ВЭУ (режим 2, средний ветер), то он идет на питание электрического бойлера (активная нагрузка), который является основным источником тепловой энергии и работает на покрытие тепловой нагрузки (Q – t). Если потребность в электрической энергии и тепловой энергии в данный момент времени удовлетворена (режим 3, сильный ветер), то весь избыток электрической энергии (после AC/DC преобразования) идет на электролизер (реактивная емкостная нагрузка). Такие режимы возможны в период сильного ветра и в летний период, когда потребность в тепловой энергии минимальна. На этом режиме электролизная установка потребляет избыточную электроэнергию ветрогенератора и вырабатывает водород на следующие нужды:

• “суточный водород” – накапливается в ресивере при давлении, совпадающем с рабочим давлением электролизера (как правило, 10–30 бар), или идет на топливный элемент для пополнения дефицита электрической энергии потребителя в период слабого ветра или безветрия;
• “сезонный водород” – накапливается в системе хранения водорода, когда текущая потребность в тепловой и электрической энергии удовлетворена. Также “сезонный” водород из системы хранения направляется в водородный котел для восполнения дефицита тепловой энергии в текущий момент времени. Такие режимы возможны в зимний период, когда дополнительная подача тепловой энергии осуществляется за счет сжигания запасенного водорода в конденсационных водородных котлах с КПД более 95%;
• “резервный водород” – накапливается в системе хранения водорода и расходуется для аварийного энергоснабжения потребителя с использованием топливных элементов и аварийного теплоснабжения с использованием водородного котла.

Исходные данные для расчета:

• ветропотенциал для данной географической точки для каждого часа текущих суток;
• суточные графики электрической и тепловой нагрузки потребителя;
• параметры используемого оборудования (ВЭУ, энергоустановок на топливных элементах, электролизных установок, компрессоров, систем хранения водорода, контроллеров, инверторов).

Для расчета схемы полного энергоснабжения автономного потребителя на основе ветрогенератора и водородного аккумулирования энергии важным является расчет с часовым лагом годового баланса энергии между генерируемой ВЭУ электрической энергией и потребляемой электрической и тепловой энергии:

 (1)

где: t = 8760 ч (число часов в году); $N_t^{wg}$– средняя электрическая мощность, вырабатываемая одним ВГ в данный час, кВт; $n^{wg}$ – количество ветрогенераторов (определяется из расчета баланса энергии); $N_t^{el}$ – средняя электрическая мощность, потребляемая в текущий час, кВт (определяется из суточного графика нагрузки потребителя); ${\eta }^{in}$ – КПД инвертора; ${\eta }_t^{elz}$ – КПД электролизера (с учетом зависимости КПД от текущей нагрузки); $N_t^{fc}$– средняя электрическая мощность, вырабатываемая топливным элементом в текущий час в период безветрия, кВт (определяется из суточного графика нагрузки потребителя); ${\eta }_{}^{fc}$ – КПД топливного элемента (с учетом зависимости КПД от текущей нагрузки); $Q_t^{eb}$– средняя тепловая мощность, потребляемая в текущий час электрическим бойлером, кВт (определяется из суточного графика тепловой нагрузки потребителя); – КПД электрического бойлера (η^Q > 0,98); $Q_t^{h2b}$ – средняя тепловая мощность, потребляемая в текущий час водородным котлом, кВт (определяется из суточного графика тепловой нагрузки потребителя); ${\eta }_{}^{h2b}$ – КПД водородного конденсационного котла (η^Q > 0,95).

В результате расчетов, поведенных по уравнению (1), можно найти необходимое количество ВЭУ $n^{wg}$, также количество и параметры оборудования, используемого в схеме энергоснабжения. При этом существенное влияние на расчет оказывают:

• вольт-амперные характеристики топливного элемента и электролизера (см. рис. 1а);
• учет зависимости КПД электрохимических преобразователей энергии от текущей нагрузки потребителя, которая в течение суток может меняться в широких пределах (см. рис. 1б);
• учет использования части накопленного водорода для получения потребителем дополнительной тепловой энергии (в водородной плите для приготовления пищи, либо в каталитическом водородном обогревателе);
• учет использования части накопленного водорода для получения потребителем электрической энергии в топливном элементе для восполнения дефицита в период безветрия и в случае необходимости для резервного энергоснабжения.

Расчетная часть

В качестве примера для расчета системы автономного энергоснабжения на основе ветрогенераторов и водородного аккумулирования энергии выбран реальный объект с. Новиково на о. Сахалин. Село расположено в 74 км от города Корсаков и в 130 км от города Южно-Сахалинск в южном направлении (рис. 4а). Население составляет 550 человек и занятно в транспортной сфере, сфере услуг, в энергетике и рыбном промысле. По существующей схеме энергоснабжения село Новиково обеспечивается электроэнергией и теплом от энергоузла, не подключенного к общей энергосистеме острова Сахалин. Электроэнергия вырабатывается дизельной электростанцией (ДЭС). Себестоимость производимой электрической и тепловой энергии высока в связи с высокой стоимостью привозного закупаемого дизельного топлива.

 

Рис. 4. Местонахождение автономного объекта п. Новиково и распределение скоростей ветра с поправкой на плотность воздуха (среднее за несколько лет).

 

Как показывает анализ табл. 1, исходя из климатических условий села Новиково, наибольший интерес для альтернативной схемы энергоснабжения представляет ветровая генерация электроэнергии. Важным является вопрос гарантированного снабжения электрической энергией поселка в часы безветрия, когда ветрогенератор не работает (скорость ветра – менее 3 м/с). Время безветрия для данной точки совокупно составляет всего 14 дней, т. е. примерно один день в месяц [33]. Для определения расчетных скоростей ветра в течение года использовали климатические базы данных NASA для высоты 50 метров [33]. Кроме этого, на значение генерируемой мощности вводилась поправка на плотность воздуха, которая зависит от температуры. Для этого использовалось распределение Вейбулла, хорошо себя зарекомендовавшее в описании вероятностных явлений метеорологии [34]. Поправка C_ρ (%) на плотность влажного воздуха ρ (ρ является функцией температуры, давления и относительной влажности) вычислялась при помощи библиотеки термодинамических свойств веществ CoolProp [35]. Для расчета бралась поправка C_ρ для каждого дня года, осредненная по всему периоду наблюдений. В результате обработки данных значения C_ρ были найдены для каждого дня календарного года. Данные значения представлены на рис. 4б в виде графика.

В расчете мощности ветропарка используются два вида скоростей:

1) скорость ветра W₅₀(d) по 50-му перцентилю (медиана), в зависимости от дня года d;

2) максимальная скорость W₉₅, входящая в доверительный интервал P = 0.95.

Из графиков видно, что значение поправки на плотность воздуха C_ρ меняется в течение года. Значение разницы между максимальными и минимальными значениями поправки, отнесенное к среднему значению за календарный год, равнялось 9.22%, что является весьма существенной величиной.

Из рис. 4б видно, что ветропотенциал в данной географической точке высокий, а в зимние месяцы существенно превосходит ветропотенциал летних месяцев.

Для расчета альтернативной схемы энергоснабжения выбран ветрогенератор KWT-300 (KOMAI HALTEC Inc.), разработанный специально для эксплуатации в суровых климатических условиях (рис. 5а). Его кривая мощности представлена на рис. 5б.

 

Рис. 5. Ветрогенератор KWT-300 (KOMAI HALTEC Inc.) для суровых климатических условий (а) и кривая мощности KWT-300 (б).

 

Высота башни ветрогенератора KWT-300 – 43 м, размах лопастей – 33 м. Данный ветрогенератор имеет значение скорости ветра страгивания (скорость, при которой начинается генерация) W = 3 м/c. Генерирует максимальную мощность 300 кВт при W =11.5 м/c и выше. Предельная рабочая скорость ветра – 25 м/с. Выживаемость при скорости ветра по стандартам IEC Класс I W = 70 м/с [36].

Результаты и обсуждение

На рис. 6 приведены основные графики в годовом разрезе на основании расчета альтернативной схемы энергоснабжения с помощью балансного уравнения (1). В результате определено количество ветрогенераторов n^wg, необходимых для полного и гарантированного электроснабжения с. Новиково по альтернативной схеме. Также показано, какое количество электроэнергии генерируется ветропарком в течение года (кривая 1), показан типичный многолетний годовой график распределения электрической нагрузки (кривая 2) и тепловой нагрузки (кривая 3). Также приведен график суммарного потребления водорода в топливном элементе и водородном котле (кривая 5) и только в топливном элементе (кривая 6). Кривая 7 показывает распределение запасов и расходование накопленного водорода в течение года.

 

Рис. 6. Годовые графики альтернативной схемы энергоснабжения с. Новиково (о. Сахалин). 1 – генерация электрической энергии ветропарком; 2 – электрическая нагрузка; 3 – тепловая нагрузка; 4 – производство водорода; 5 – потребление водорода ТЭ и КК; 6 – потребление водорода ТЭ; 7 – накопленный водород.

 

Анализ рис. 6. показывает, что распределение электрической нагрузки в течение года является равномерным и ее уровень существенно ниже, чем уровень тепловой нагрузки в зимние месяцы (почти в 4 раза). Для данного потребителя профиль годового графика распределения ветра совпадает с профилем тепловой нагрузки. Это является благоприятным фактором, т. к. позволяет в зимние месяцы больше избыточной электроэнергии от ветропарка направлять в электрические бойлеры для генерирования тепловой энергии и на электролизер для накопления водорода.

В результате расчета предложен вариант оборудования для реализации схемы:

1. Ветрогенератор KWT-300 по расчету n^wg = 14.7 шт. Принимаем n^wg =15 шт. [36].
2. Электролизеры ПОМ ЭВ серии MC общей производительностью 200 нм³ Н₂/ч (с учетом кратковременных режимов повышенной мощности (120% · N_ном.) и ограничений в пиковые периоды) [21].
3. Энергоустановки на топливных элементах ПОМ ТЭ общей мощностью 200 кВт (с учетом кратковременных режимов повышенной мощности (120% · N_ном.) [5].
4. Электробойлеры (локально) [37].
5. Водородные конденсационные котлы (локально) [38].
6. Система хранения водорода (ресивер при рабочем давлении электролизера, компримирование и баллонное хранение, металлогидридное хранение) [5, 6].
7. Система подготовки воды (обратный осмос, ионный обмен) [6].

Выбор оборудования для альтернативной схемы не является предметом статьи, он определяется исходя из конкретной реализации. Нужно также учитывать, что ветропотенциал в данной географической точке изменяется от года к году. В табл. 3 показано, как изменяется количество ветрогенераторов по результатам балансного расчета. Это нужно учитывать при выборе количества ветрогенераторов в конечной схеме. В данном расчете не учитывалась поправка C_ρ.

 

Таблица 3. Количество ветрогенераторов в схеме для значений ветропотенциала различных лет

Год	2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012
nwg	12.5	12.8	13.2	11.1	11.3	11.9	14.2	13.1	11.9	12.3	12.3	13.3
год	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021	2022	2023	—
nwg	11.8	12.7	12.3	12.2	13.7	13.5	13.0	13.9	12.4	11.2	12.4

 

Как видно из табл. 2, количество ветрогенераторов в схеме для значений ветропотенциала различных лет ниже, чем для проведенного балансного расчета по формуле (1), в котором учитывалась поправка C_ρ на плотность влажного воздуха ρ при различных температурах (n^wg = 14.7 шт.). Если среднегодовые температуры для другой географической точки будут существенно отрицательнее температур, при которых определена кривая мощности ветрогенератора (в данном случае ρ = 1.225 кг/м³, t = 15°С, Р = 0.1 МПа), то учет поправки C_ρ будет приводить к увеличению реального ветропотенциала и снижению необходимого количества ветрогенераторов.

Важным параметром, определяющим эффективность использования оборудования, предложенного в альтернативной схеме, является коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) энергетического оборудования. КИУМ равен отношению фактической выработки энергоустановки за определенный период эксплуатации (обычно за 1 год) к максимальной теоретически возможной при работе без остановок на режиме номинальной мощности (в процентах) [6]. Проведенные расчеты для альтернативной схемы рассматриваемого автономного объекта показали следующие значения КИУМ: ветрогенератор – 27.8%, электрический бойлер – 57.2%, электролизер – 10.4%, водородный котел – 22.2%. Таким образом, используемое в альтернативной схеме оборудование работает периодически и также на режимах частичной мощности. Однако в данной альтернативной схеме энергоснабжения важно, что фактический КИУМ ветрогенератора существенно возрастает за счет использования вместе с ним электробойлера и электролизера, т. е. для генерации тепловой энергии. Для электрохимических преобразователей энергии (топливные элементы и электролизеры) режимы частичной мощности энергоэффективны, так как показывают более высокий КПД по сравнению с режимом номинальной мощности (см. рис. 1б). Все используемое оборудование альтернативной схемы экологично, так как не дает выбросов токсичных веществ, имеет низкий уровень шума. Это является существенным преимуществом перед традиционными схемами энергоснабжения на основе использования привозного топлива и его сжигания в дизель-электростанциях и котельных.

Заключение

В настоящее время производство электрической энергии в изолированных и труднодоступных территориях Дальневосточного федерального округа осуществляется на дизельных электростанциях, работа которых связана с существенными затратами на закупку и завоз дизельного топлива. Цены на дизельное топливо растут темпом, в 2 раза опережающим темп роста инфляции.

В результате расчета схемы альтернативной электроснабжения с. Новиково на основе ветропарка и водородного аккумулированием энергии показано, что она может обеспечить основное и резервное электроснабжение, а также теплоснабжение за счет избытка электроэнергии ветрогенераторов и использование его в электрических бойлерах и водородных конденсационных котлах. Определены параметры и рассмотрен вариант используемого оборудования для реализации схемы.

Для эффективной реализации альтернативной схемы необходимо правильно выбрать энергоизолированный объект, в частности: 1) ветропотенциал должен быть высоким, и его внутригодовое распределение должно максимально совпадать с графиком нагрузки потребителя; 2) годовой график потребления электрической нагрузки не должен иметь максимумов в период минимального ветропотенциала; 3) потребитель должен находился в зоне, где минимальны периоды слабого ветра, а сам график распределения ветра имел продолжительные периоды в диапазоне скоростей ветра 4–8 м/с; 4) целесообразно использовать конструкции ВЭУ, которые эффективно работают при малых скоростях ветра.

Схемы автономного энергоснабжения на основе ветрогенераторов являются более перспективными в прибрежных энергоизолированных районах РФ, в частности, на Дальнем Востоке.

Благодарности

Авторы выражают благодарность студентам и выпускникам НИУ МЭИ, которые принимали участие на ранней стадии исследования.

Финансирование работы

Работа проводилась в рамках ПНИ “Приоритет 2030: Технологии будущего” (ПНИ НИУ “МЭИ” 2024/26) секция 2.

Рукопись подготовлена по материалам приглашенного доклада на “Всероссийской конференции по электрохимии-2023”.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов

Информация о вкладе авторов

Автор С.И. Нефедкин является автором идеи, провел теоретические расчеты, анализировал полученные результаты, написал текст; авторы В.Д. Михневич и Я.В. Исаев проводили расчеты и обрабатывали данные; авторы В.Е. Елецких и М.А. Климова обрабатывали результаты расчетов.

Об авторах

С. И. Нефедкин

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Автор, ответственный за переписку.
Email: nefedkinsi@mpei.ru
Россия, Москва

Я. В. Исаев

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: nefedkinsi@mpei.ru
Россия, Москва

В. Д. Михневич

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: nefedkinsi@mpei.ru
Россия, Москва

В. Е. Елецких

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: nefedkinsi@mpei.ru
Россия, Москва

М. А. Климова

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: nefedkinsi@mpei.ru
Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы