Водород

На стадии разработки находится ветро-водородная станция (система бесперебойного питания и производства водорода и кислорода для личного пользования и промышленности).

ООО «ГРЦ-Вертикаль» в кооперации с рядом российских и зарубежных партнеров  начало разработку проекта по созданию комплексов интегрированных энергосистем на базе ветро-водородных установок двух типов: малые (персональные) установки с мощностью 1…50 кВт и большие (промышленные) мощностью 200 кВт и более.

Система предназначена для  высокоэффективного производства водорода (и кислорода) с дальнейшей поставкой их потребителю в виде:
- газов, сжатых в баллонах или аккумулированных в специальных накопителях,
- электрической энергии, полученной в генераторах тока (топливных элементах, двигателях внутреннего сгорания) за счет использования этих газов.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ВЕТРО-ВОДОРОДНОЙ СТАНЦИИ С БЕСПЕРЕБОЙНЫМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕМ

При наличии ветра ветроэнергетическая установка вырабатывает электроэнергию в виде постоянного тока с напряжением 48В, которая, поступая через инвертор (преобразователь постоянного напряжения 48В в переменное 220В), используется потребителем для своих нужд. Одновременно электроэнергия используется для питания электролизера, который расщепляет воду на водород и кислород, которые запасаются в соответствующих емкостях.

В безветренную погоду система электронного управления бесперебойным питанием дает команду cистеме хранения водорода о переходе в режим работы на газе, после чего водород подается на топливные элементы, которые вырабатывают электроэнергию в виде тока с постоянным напряжением 48В, поступающего на инвертор.

В последние годы ООО "ГРЦ-Вертикаль" приобрело опыт разработкии производства ветроэнергетических установок, лабораторных образцов генераторов водорода, проектирования ракет-носителей на криогенных жидких компонентах ракетного топлива, разработки и эксплуатации титановых баллонов для хранения водорода и многое другое.

СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ВОДОРОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Перспективные методы получения водорода в объемах, приемлемых для нужд промышленности, находятся на стадии опытных разработок и лабораторных исследований.

В настоящее время создан ряд демонстрационных установок, реализующих новые высокоэффективные технологии получения и использования водорода из метана, природных серосодержащих газов с помощью плазменно-мембранной технологии. При этом исключаются катализаторы и традиционные жидкостные системы газораспределения.

Для высокоэффективных электролизеров на основе катионопроводящей мембраны МФ-4СК в настоящее время завершен цикл НИОКР (научно-исследовательских и опытно конструкторских работ) и создано производство электролизеров (агрегатов для расщепления воды на водород и кислород) с улучшенными показателями на базе российской технологии. Типоразмерный ряд доведен до производительности водорода 20 м3/час и необходим завершающий этап по созданию электролизера с производительностью 100 м3/час. Уровень лучших зарубежных разработок составляет 50 м3/час на базе  мембраны "Nafion".

На базе той же отечественной мембраны в России созданы  электрохимические генераторы 10-20 кВт, использующие водородно-воздушную смесь и имеющие КПД до 75%. При этом системы эмитируют только чистую воду, токсичные компоненты выброса отсутствуют полностью.

Основные НИОКР по топливным элементам проводятся в направлении создания топливных элементов двух типов: с твердополимерным электролитом (PEM FC) и высокотемпературных с твердоокисным  электролитом (SOFC) .

Высокотемпературные  топливные элементы с расплавнокарбонатным электролитом (MCFC) продолжают изучаться в рамках программ фундаментальных исследований.

Твердополимерные элементы по их техническому уровню находятся на пороге коммерциализации. Однако, их высокая стоимость (энергоустановка ~104 долл/кВт) в значительной степени сдерживает этот процесс. Многие компании прогнозируют снижение стоимости энергоустановок с PEM FC на порядок и более при их массовом производстве.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРОДА 

Водород в виде сжатого газа может использоваться для следующих нужд:
- хранение в емкостях для использования в виде топлива в безветренную погоду
- топливо для автомобилей с водородным двигателем
- производственно-технические нужды

Использование водорода  привлекательно тем, что водород является не просто «топливом», а по сути  это рабочее тело теплового насоса, с помощью которого внутренняя энергия среды может быть использована как для бытовых нужд, так и для получения электрической энергии в количестве много больше той, которая была затрачена на получение водорода при электролизе.

Нерешенной проблемой до сегодняшнего дня  остаётся неэкономичность промышленного производства водорода. Поэтому необходимо подходить к процессу электролиза и последующему сжигание полученного водорода и кислорода, как к единому замкнутому термодинамическому циклу теплового насоса и на этом пути найти способ удешевления водорода.

Теоретические и экспериментальные результаты исследований показывают, что наиболее вероятным источником дешевого водорода, получаемого из воды , может стать её плазменный электролиз.

ЦЕЛИ РАЗРАБОТКИ ВЕТРО-ВОДОРОДНОЙ УСТАНОВКИ

Предполагается достижение следующих целей:
- создание эффективной ветро-водородной установки (ВВУ) на базе  ветроэнергетических установок ВЭУ-3, ВЭУ-5 и ВЭУ-30, с получением водорода не менее 0.3 м3 на 1 кВт-час,
- разработка и внедрение технологии хранения, транспортировки и использования водорода в быту и промышленности.

Учитывая современное состояние водородных технологий, ВВУ предназначается для получения и  накопления газов (водорода, кислорода), заправки ими баллонов для локального использования, заправки транспортировочных емкостей с целью вывоза, и заправки баллонов личного автотранспорта и других машин и агрегатов.

При отработке этого  варианта установки, ставя задачей, в конечном итоге, коммерческую реализацию комплекса интегрированных энергосистем на базе ветро-водородных установок, и  учитывая наличие на рынке широкого спектра технологий и преобразователей электрической энергии в химическую и обратно, в кратчайшие сроки будут определены  пути и меры по обеспечению разумной стоимости, удобства обслуживания, высокой надежности, безопасности и достаточного ресурса. 

Схема построения системы будет предусматривать в зависимости от рыночного спроса возможность регулирования соотношения вырабатываемых энергоносителей (водорода, кислорода, электроэнергии).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТКИ

Система включает в себя ветроэнергетическую установку, электролизер, стабилизатор постоянного напряжения, блок коммутации и управления электролизерами, блок подготовки воды, компрессоры, баллоны для хранения сжатых газов, металлогидридные накопители.

Базовый вариант системы на основе ВЭУ представлен на схеме:

Возможно дальнейшее развитие варианта с целью получения электрической энергии, например, с помощью электрохимических генераторов тока.

Выходное напряжение генератора ВЭУ, являющееся функцией скорости ветра по частоте и амплитуде, через простейший стабилизатор постоянного напряжения подается на вход электролизера, в качестве которого преимущественно предлагается использовать электролизеры нового поколения с КПД не хуже 85% с обеспечением высокой чистоты газов.

Электролизеры нового поколения обеспечивают по сравнению с традиционными получение водорода более высокой чистоты с удельными энергозатратами в 1,5 раза меньшими.

В процессе выполнения проекта будет выбран типоразмер электролизера, который должен быть мембранного класса с твердополимерным электролитом и обеспечить получение водорода не менее 0.3 м3/час на 1 кВт мощности ВЭУ.  Электролизер должен обеспечить возможность производства сжатых газов (до давления не менее 3 МПа). Рассматриваются варианты и возможность использования других классов электролизеров: плазмохимического; на основе ячейки Мейера, с подачей на нее импульсного напряжения; так называемого гравитационного;  на основе известных физических опытов  Толмена  и Стюарта и др.

Основная цель анализа возможного применения широкой гаммы электролизеров – выбор наиболее оптимального по стоимости и производительности генератора водорода.

Блок управления обеспечит согласование мощности, вырабатываемой ВЭУ с мощностью, потребляемой электролизером (электролизерами) и др. потребителями энергии в системе.

Образующиеся в электролизере газы (водород и кислород), очищенные от примесей, осушенные, будут подаваться в приемные устройства, конструктивное исполнение которых, их типоразмеры будут определены в зависимости от способа (вида) их дальнейшего использования. Будут применены новые технологии хранения газов.
В частности, предлагается в рамках настоящего проекта произвести разработку и изготовление опытных образцов титановых баллонов высокого давления с высоким массовым совершенством при обеспечении необходимой прочности за счет обмотки баллонов высокопрочным волокном на основе органо или углепластиков. Будут опробованы металлогидридные системы, изучена возможность практического использования систем хранения водорода в наноструктурах  (фуллеренах и нанотрубках).

В дальнейшем систему целесообразно дополнить устройствами, преобразующими химическую энергию газов, выработанных электролизерами, в электрическую энергию с требуемым напряжением  и частотой по желанию потребителей. В качестве преобразователей могут быть использованы электрохимические генераторы (ЭХГ), газотурбинные установки, установки с реализацией цикла Стирлинга.

На основе представленной базовой схемы рассматриваются различные варианты исполнения, предусматривающие:
- оптимальное сочетание применяемых агрегатов и устройств;
- использование ВЭУ с различным уровнем электрической мощности;
- оптимизацию построения системы в зависимости от количества и соотношения потребления вырабатываемых энергоносителей (Н2, О2, электроэнергия).

Данная система  интегрированных энерго-модулей на базе ветро-водородных установок, используя принцип накопления достаточного количества газов О2 и Н2 в аккумуляторах и обеспечения работы преобразователей, например, ЭХГ, любой требуемой мощности, позволит получить уровень выходной мощности, значительно превышающий первичную мощность ВЭУ.