2026 ООО «Импекс-1»
Оставьте свои данные
Мы скоро свяжемся с вами
«Газопоршневые генераторные установки для распределенной энергетики и автономной генерации»
Б.А. Рыбаков (к.т.н.)
М.А. Савитенко
О.А. Сиделев
М.А. Савитенко
О.А. Сиделев
Гибридные электростанции
Понятие «гибрид» в технике обозначает средства, в которых конструктивно и технологически интегрированы положительные свойства прообразов, функционирующих на разных 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.
Понятие «гибрид» в технике обозначает средства, в которых конструктивно и технологически интегрированы положительные свойства прообразов, функционирующих на разных 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 оборудования в зависимости от места расположения, стоимости органического топлива и стоимости 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 незначительна, имеется хороший потенциал для сооружения ВЭС. Существуют регионы, где имеет смысл строить и СЭС, и ВЭС.
Недостатками СЭС и ВЭС является зависимость от суточных и сезонных условий. Эти недостатки могут быть частично компенсированы применением накопителей энергии, в частности, аккумуляторных батарей и водородных систем накопления энергии. На сегодня удельная энергоемкость самых современных АКБ не превышает 200 Вт*ч/кг. Анализ различных конфигураций состава оборудования показал, что их целесообразно использовать для сглаживания суточных колебаний энергии, вырабатываемой СЭС в летнее время.
Удельная энергоемкость водорода существенно выше, чем у АКБ, что позволяет использовать водородные системы хранения энергии для сглаживания пиков производства энергии, производимой ВИЭ.
В ряде стран рассматривается использование водорода для производства электроэнергии 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 различных направлений, должна быть готова к совместной работе. И такая команда была создана для разработки прототипа автономного гибридного энергомодуля (АГЭМ-1) установленной мощностью 30 кВт.
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 оборудования в зависимости от места расположения, стоимости органического топлива и стоимости 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 незначительна, имеется хороший потенциал для сооружения ВЭС. Существуют регионы, где имеет смысл строить и СЭС, и ВЭС.
Недостатками СЭС и ВЭС является зависимость от суточных и сезонных условий. Эти недостатки могут быть частично компенсированы применением накопителей энергии, в частности, аккумуляторных батарей и водородных систем накопления энергии. На сегодня удельная энергоемкость самых современных АКБ не превышает 200 Вт*ч/кг. Анализ различных конфигураций состава оборудования показал, что их целесообразно использовать для сглаживания суточных колебаний энергии, вырабатываемой СЭС в летнее время.
Удельная энергоемкость водорода существенно выше, чем у АКБ, что позволяет использовать водородные системы хранения энергии для сглаживания пиков производства энергии, производимой ВИЭ.
В ряде стран рассматривается использование водорода для производства электроэнергии 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 различных направлений, должна быть готова к совместной работе. И такая команда была создана для разработки прототипа автономного гибридного энергомодуля (АГЭМ-1) установленной мощностью 30 кВт.
Разработка АГЭМ-1
При разработке АГЭМ-1 приходилось применять комплексные конструкторские решения. Целью являлась структурная, техническая и технологическая интеграция в энергомодуле разнородных устройств, обеспечивающих сохранение (и возможное усиление) их положительных свойств при производстве энергии: высокую мощность, топливную эффективность, продолжительное надежное функционирование, безопасную эксплуатацию, экологичность, транспортабельность, но без присущих каждому устройству недостатков.
Создание гибридного энергомодуля потребовало решения следующих задач:
При разработке АГЭМ-1 приходилось применять комплексные конструкторские решения. Целью являлась структурная, техническая и технологическая интеграция в энергомодуле разнородных устройств, обеспечивающих сохранение (и возможное усиление) их положительных свойств при производстве энергии: высокую мощность, топливную эффективность, продолжительное надежное функционирование, безопасную эксплуатацию, экологичность, транспортабельность, но без присущих каждому устройству недостатков.
Создание гибридного энергомодуля потребовало решения следующих задач:
- подбор и согласование технических параметров агрегатов, вырабатывающих энергию, средств преобразования энергии, ее накопления, хранения и передачи потребителю;
- разработка средств автоматического управления, контроля работоспособности и обеспечения безопасности функционирования;
- определение параметров, подлежащих согласованию, таких как мощность, производительность, время непрерывного функционирования, собственное энергопотребление, расход топлива, надежности и безопасность, уровень выбросов вредных веществ, масса и количество блоков, эксплуатационные показатели, транспортабельность наземным, воздушным, речным транспортом, требования к квалификации персонала;
- разработка системных, схемотехнических решений по сопряжению функционирования агрегатов, средств управления, вспомогательных устройств между собой и с потребителем энергии;
- разработка системы электролиза, получения и компримирования водорода, формирования, накопления и подачи метано-водородной смеси (МВС) для работы газопоршневой установки (ГПУ), расчетное и экспериментальное обоснование эффективных соотношений количества водорода и метана в МВС, определение условий перехода к использованию МВС;
- описание режимов гибридного функционирования агрегатов автономного энергомодуля, показателей производимой энергии и энергообеспечения потребителей, реализованных в алгоритмах автоматической системы управления и контроля работоспособности систем, входящих в состав АГЭМ-1;
- основной режим — работа ГПУ на номинальной мощности с генератором переменного 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 гибридного энергетического модуля на площадке;
- разработка логистической схемы эксплуатационного и материального обеспечения (топливом, маслом, газом, ремонтными комплектами и др.) энергомодуля в режимах постоянного функционирования и обеспечения энергией при размещении потребителей в удаленных и труднодоступных районах, а также автономных необслуживаемых объектов; временного функционирования и энергообеспечения в районах проведения специальных, чрезвычайных и других мероприятий;
- разработка обоснований для масштабирования свойств, размеров и характеристик АГЭМ (состава потребителей, схем, расчетов).
Рис.
Прототип автономного гибридного энергомодуля (АГЭМ-1) установленной мощностью 30 кВт
Прототип автономного гибридного энергомодуля (АГЭМ-1) установленной мощностью 30 кВт
В состав оборудования АГЭМ-1 входят элементы (рис.):
- 40-футовый контейнер морского исполнения; n аккумулятор литий-железофосфатный LiFePO4;
- промышленное зарядное устройство аккумуляторных батарей;
- инвертор гибридный, трехфазный;
- фотоэлектрические модули;
- газовый компрессор;
- электролизер воды;
- модуль водоподготовки;
- воздушный ресивер;
- газопоршневая установка мощностью 30 кВт; n газовые баллоны;
- АСУ ТП;
- системы: обнаружения газа и пламени;
- пожаротушения; вентиляции; кондиционирования воздуха; освещения; отопления.
Табл. 1.
ГПУ на биогазе
ГПУ на биогазе
ГПУ мощностью 30 кВт
В процессе работы над созданием АГЭМ-1 была разработана, собрана и испытана газопоршневая установка (ГПУ) на базе двигателя ВАЗ 11186 с генератором переменного тока мощностью 30 кВт.
Особенностью данной установки является ее способность работать на четырех видах топлива — бензин, природный газ, пропан, метано-водородная смесь (МВС).
АНО «Водородные технологические решения» планирует разработать и испытать ГПУ единичной мощностью до 200 кВт на базе ДВС российского производства, чтобы определить возможность сжигания метано-водородных смесей с различным содержанием водорода.
В процессе работы над созданием АГЭМ-1 была разработана, собрана и испытана газопоршневая установка (ГПУ) на базе двигателя ВАЗ 11186 с генератором переменного тока мощностью 30 кВт.
Особенностью данной установки является ее способность работать на четырех видах топлива — бензин, природный газ, пропан, метано-водородная смесь (МВС).
АНО «Водородные технологические решения» планирует разработать и испытать ГПУ единичной мощностью до 200 кВт на базе ДВС российского производства, чтобы определить возможность сжигания метано-водородных смесей с различным содержанием водорода.
- При необходимости проектирования и строительства гибридных электростанций большей мощности можно использовать газопоршневые установки китайского производства, которые смогут работать на разных видах топлива.
Табл. 2.
ГПУ на синтезгазе
ГПУ на синтезгазе
В табл. 1 и табл. 2 приведены основные технические характеристики ГПУ серии 300, способных работать на биомассе и синтез-газе с содержанием водорода до 50 %.
ГПУ с техническими характеристиками, приведенными в табл., могут применяться в качестве базовых и резервных источников энергии, а также в качестве источников генерации для удаленных и изолированных потребителей.
ГПУ с техническими характеристиками, приведенными в табл., могут применяться в качестве базовых и резервных источников энергии, а также в качестве источников генерации для удаленных и изолированных потребителей.
- Доставка топливного газа удаленным потребителям может осуществляться как в сжиженном (СПГ), так и в компримированном виде (КПГ). Недостатком использования КПГ является необходимость его подогрева перед редуцированием, поскольку при снижении давления природного газа на 100 кПа его температура снижается примерно на 0,4...0,5 °С (в зависимости от состава газа), что может привести к обмерзанию редуктора и прекращению подачи газа. Этот эффект называется эффектом «Джоуля-Томпсона».
Табл. 3.
Изменение температуры газов при снижении давления
Изменение температуры газов при снижении давления
В отличие от природного газа, водород при снижении давления нагревается. Эту его особенность можно использовать для предотвращения обмерзания редуктора, подмешав к природному газа необходимое количество водорода.
В табл. 3 приведены результаты расчета изменения температуры газа при снижении давления метана (СН4), водорода (Н2) и смеси метана и водорода (СН4+Н2). Как видно из таблицы, при снижении давления 100 %-го метана с 2 МПа до 150 кПа температура снижается на 8,54 °С, а температура 100 %-го водорода повышается на 0,55 °С.
При массовой концентрации водорода в смеси, равной 30 %, при снижении давления с 2 МПа до 150 кПа температура ВСГ снизится на 0,69 °С. То есть, температура ВСГ снижается в 12 раз медленнее. Подмешивание водорода к природному газу снижает выбросы в атмосферу СО2. Чем больше доля водорода в смеси с природным газом, тем меньше выбрасывается в атмосферу углекислого газа.
В табл. 3 приведены результаты расчета изменения температуры газа при снижении давления метана (СН4), водорода (Н2) и смеси метана и водорода (СН4+Н2). Как видно из таблицы, при снижении давления 100 %-го метана с 2 МПа до 150 кПа температура снижается на 8,54 °С, а температура 100 %-го водорода повышается на 0,55 °С.
При массовой концентрации водорода в смеси, равной 30 %, при снижении давления с 2 МПа до 150 кПа температура ВСГ снизится на 0,69 °С. То есть, температура ВСГ снижается в 12 раз медленнее. Подмешивание водорода к природному газу снижает выбросы в атмосферу СО2. Чем больше доля водорода в смеси с природным газом, тем меньше выбрасывается в атмосферу углекислого газа.
- Исследования сжигания смеси метана и водорода в газопоршневой установке, которые были проведены на экспериментальной площадке ОИВТ РАН по заказу АНО «Водородные технологические решения», показали, что при увеличении доли водорода в смеси снижаются выбросы в атмосферу оксидов азота (NOx).
Табл. 4.
Запас тепловой энергии в ГБМ при давлении 20 МПА
Запас тепловой энергии в ГБМ при давлении 20 МПА
Газобаллоные модули (ГБМ) с метано-водородной смесью при давлении 20 МПа
Рассмотрим вариант доставки водородосодержащего газа (ВСГ) удаленному потребителю энергии в 10-, 20- и 40-футовых газобаллонных контейнерах. В табл. 4 показано, сколько тепловой энергии может содержаться в таких модулях в зависимости от концентрации водорода в смеси при давлении 20 МПа.
Недавно появилось сообщение, что в Китае разработан накопитель электрической энергии (АКБ) энергоемкостью 6,5 МВт.ч, который размещается в 20-футовом контейнере (TENER). Для сравнения: энергоемкость АКБ MEGAPACK, разработанного командой Илона Маска, не превышает 3,9 МВт.ч.
Рассмотрим вариант доставки водородосодержащего газа (ВСГ) удаленному потребителю энергии в 10-, 20- и 40-футовых газобаллонных контейнерах. В табл. 4 показано, сколько тепловой энергии может содержаться в таких модулях в зависимости от концентрации водорода в смеси при давлении 20 МПа.
Недавно появилось сообщение, что в Китае разработан накопитель электрической энергии (АКБ) энергоемкостью 6,5 МВт.ч, который размещается в 20-футовом контейнере (TENER). Для сравнения: энергоемкость АКБ MEGAPACK, разработанного командой Илона Маска, не превышает 3,9 МВт.ч.
- Из табл. 4 видно, что в 20-футовом газобаллонном модуле, заполненным водородом при давлении 20 МПа, запас тепловой энергии равен 7,54 МВт.ч, что выше, чем запас электрической энергии в самом современном накопителе электроэнергии. При увеличении давления в газовых баллонах запас тепловой энергии будет увеличиваться.
Табл. 5.
Запас тепловой энергии в ГБМ при давлении 40 МПа
Запас тепловой энергии в ГБМ при давлении 40 МПа
В табл. 5 приведено сравнение значений тепловой энергии, определенной по высшей теплоте сгорания, водорода и метана, хранящихся в 10- и 20-футовых контейнерах, а также в передвижном автомобильном газовом заправщике (ПАГЗ), при давлении 40 МПа. Из таблицы следует, что энергоемкость 20-футового ГБМ существенно выше, чем энергоемкость АКБ TENER.
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 плотностью метана по сравнению с водородом. При этом увеличивается и масса модуля. Этот фактор необходимо учитывать при оценке расходов на транспортировку топливных модулей удаленным потребителям.
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 плотностью метана по сравнению с водородом. При этом увеличивается и масса модуля. Этот фактор необходимо учитывать при оценке расходов на транспортировку топливных модулей удаленным потребителям.
- Чтобы сделать корректное сравнение между АКБ и ГБМ со смесью природного газа, необходимо учесть преобразование тепловой энергии ВСГ в электрическую энергию.
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 плотностью метана по сравнению с водородом. При этом увеличивается и масса модуля. Этот фактор необходимо учитывать при оценке расходов на транспортировку топливных модулей удаленным потребителям.
Чтобы сделать корректное сравнение между АКБ и ГБМ со смесью природного газа, необходимо учесть преобразование тепловой энергии ВСГ в электрическую энергию.
При значении КПД газопоршневой установки 40 % из 20-футового ГБМ, заполненного смесью (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 природного газа с водородом, удаленным и изолированным потребителям энергии являются перспективным направлением.
4. При повышении экологических требований к энергоустановкам, сжигающим органические виды топлива, будут востребованы газопоршневые установки, способные работать на смеси природного газа и водорода.
Чтобы сделать корректное сравнение между АКБ и ГБМ со смесью природного газа, необходимо учесть преобразование тепловой энергии ВСГ в электрическую энергию.
При значении КПД газопоршневой установки 40 % из 20-футового ГБМ, заполненного смесью (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 природного газа с водородом, удаленным и изолированным потребителям энергии являются перспективным направлением.
4. При повышении экологических требований к энергоустановкам, сжигающим органические виды топлива, будут востребованы газопоршневые установки, способные работать на смеси природного газа и водорода.
www.turbine-diesel.ru /июль-август 2024