Гибридные электростанции

Понятие «гибрид» в технике обозначает средства, в которых конструктивно и технологически интегрированы положительные свойства прообразов, функционирующих на раз- ных физических принципах, и компенсированы их нежелательные качества.
В энергетике одним из направлений гибридизации является агрегатирование устройств, преобразующих химическую, ветровую, солнечную энергию в электрическую, с целью создания эффективных, надежных, экологически безопасных систем энергообеспечения различных потребителей.
Гибридные структурные и системные технические решения и технологии направлены на кратное повышение топливной эффективности за счет применения бестопливных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и систем аккумулирования энергии.

Состав оборудования гибридной электростанции

Для определения состава оборудования и оптимизации мощностей различных источников энергии, входящих в состав гибридной электростанции, таких как солнечная или ветровая электростанция (СЭС и ВЭС), аккумуляторная батарея (АКБ), система накопления водорода и тепловая электростанция (ТЭС), в АНО «Водородные технологические решения» разработана специализированная программа. Она позволяет определить оптимальные значения установленных мощностей оборудо- вания в зависимости от места расположения, стоимости органического топлива и стоимо- сти обслуживания гибридной электростанции.
Очевидно, что использования ВИЭ в составе оборудования гибридной электростанции позволяет снизить расход органического топлива, что приводит к уменьшению углеродного следа. КИУМ СЭС на территории РФ может достигать значения 0,25, а КИУМ ВЭС — 0,5.

В одних регионах на территории нашей страны целесообразно использовать СЭС, в других, где доля солнечной энергии незначи- тельна, имеется хороший потенциал для сооружения ВЭС. Существуют регионы, где имеет смысл строить и СЭС, и ВЭС.
Недостатками СЭС и ВЭС является зависи- мость от суточных и сезонных условий. Эти недостатки могут быть частично компенсиро- ваны применением накопителей энергии, в частности, аккумуляторных батарей и водо- родных систем накопления энергии. На сего- дня удельная энергоемкость самых современ- ных АКБ не превышает 200 Вт*ч/кг. Анализ различных конфигураций состава оборудова- ния показал, что их целесообразно использо- вать для сглаживания суточных колебаний энергии, вырабатываемой СЭС в летнее время.
Удельная энергоемкость водорода суще- ственно выше, чем у АКБ, что позволяет использовать водородные системы хранения энергии для сглаживания пиков производства энергии, производимой ВИЭ.
В ряде стран рассматривается использова- ние водорода для производства электроэнер- гии с помощью топливных элементов, КПД которых достигает 50 %. Но поскольку в настоящее время топливные элементы в России не производятся, мы прорабатываем варианты совместного сжигания природного газа и водорода в котлах, газопоршневых и газотурбинных установках.
Сложность проектирования гибридных электростанций заключается в том, что команда, объединяющая специалистов различ- ных направлений, должна быть готова к совместной работе. И такая команда была создана для разработки прототипа автономно- го гибридного энергомодуля (АГЭМ-1) уста- новленной мощностью 30 кВт.

Разработка АГЭМ-1
При разработке АГЭМ-1 приходилось при- менять комплексные конструкторские реше- ния. Целью являлась структурная, техниче- ская и технологическая интеграция в энерго- модуле разнородных устройств, обеспечиваю- щих сохранение (и возможное усиление) их положительных свойств при производстве энергии: высокую мощность, топливную эффективность, продолжительное надежное функционирование, безопасную эксплуата- цию, экологичность, транспортабельность, но без присущих каждому устройству недостатков.

Создание гибридного энергомодуля потре- бовало решения следующих задач:

• подбор и согласование технических параметров агрегатов, вырабатывающих энер- гию, средств преобразования энергии, ее накопления, хранения и передачи потреби- телю;
• разработка средств автоматического управ- ления, контроля работоспособности и обес- печения безопасности функционирования;
• определение параметров, подлежащих согласованию, таких как мощность, про- изводительность, время непрерывного функционирования, собственное энергопо- требление, расход топлива, надежности и безопасность, уровень выбросов вредных веществ, масса и количество блоков, экс- плуатационные показатели, транспорта- бельность наземным, воздушным, речным транспортом, требования к квалификации персонала;
• разработка системных, схемотехнических решений по сопряжению функционирова- ния агрегатов, средств управления, вспомо- гательных устройств между собой и с потребителем энергии;
• разработка системы электролиза, получе- ния и компримирования водорода, форми- рования, накопления и подачи метано-водо- родной смеси (МВС) для работы газопорш- невой установки (ГПУ), расчетное и экспе- риментальное обоснование эффективных соотношений количества водорода и метана в МВС, определение условий перехода к использованию МВС;
• описание режимов гибридного функциониро- вания агрегатов автономного энергомодуля, показателей производимой энергии и энерго- обеспечения потребителей, реализованных в алгоритмах автоматической системы управ- ления и контроля работоспособности систем, входящих в состав АГЭМ-1;
• основной режим — работа ГПУ на номи- нальной мощности с генератором перемен- ного тока требуемых параметров;
• второй режим — работа ГПУ с генератором переменного тока и АКБ на максимальной мощности;
• третий режим — работа ГПУ в схеме с ВЭС и СЭС;
• резервные режимы — обеспечение средств запуска и жизнеобеспечения энергией от ВЭС, СЭС и системы АКБ.
• разработка способов транспортировки и развертывания элементов автономного гиб- ридного энергетического модуля на пло- щадке;
• разработка логистической схемы эксплуа- тационного и материального обеспечения (топливом, маслом, газом, ремонтными комплектами и др.) энергомодуля в режи- мах постоянного функционирования и обеспечения энергией при размещении потребителей в удаленных и труднодоступ- ных районах, а также автономных необслу- живаемых объектов; временного функцио- нирования и энергообеспечения в районах проведения специальных, чрезвычайных и других мероприятий;
• разработка обоснований для масштабирова- ния свойств, размеров и характеристик АГЭМ (состава потребителей, схем, расчетов).

Из таблиц 4 и 5 видно, что при одинаковом давлении в ГБМ с увеличением доли метана в смеси водорода и метана растет энергоемкость топлива. Это обусловлено более высокой плот- ностью метана по сравнению с водородом. При этом увеличивается и масса модуля. Этот фак- тор необходимо учитывать при оценке расходов на транспортировку топливных модулей удален- ным потребителям.
Чтобы сделать корректное сравнение между АКБ и ГБМ со смесью природного газа, необхо- димо учесть преобразование тепловой энергии ВСГ в электрическую энергию.
При значении КПД газопоршневой установки 40 % из 20-футового ГБМ, заполненного сме- сью (50 % СН4 +50 % Н2) можно получить 15,5 МВт.ч электрической энергии, что более чем в два раза превышает запас энергии АКБ TENER.

Выводы
1. Гибридные электростанции обеспечивают надежное энергоснабжение потребителей с минимальным расходом органических видов топлива и, соответственно, с минимальными выбросами парниковых газов.
2. Подмешивание водорода к природному газу снижает выбросы оксидов азота и углерода.
3. Поставка газобаллонных модулей, заполненных природным газом или смесью при- родного газа с водородом, удаленным и изолированным потребителям энергии являются перспективным направлением.
4. При повышении экологических требований к энергоустановкам, сжигающим органиче- ские виды топлива, будут востребованы газо- поршневые установки, способные работать на смеси природного газа и водорода.

www.turbine-diesel.ru /июль-август 2024