«Розвиток наукових засад отримання, зберігання та використання водню в системах автономного енергозабезпечення»

Розроблення автономних когенераційних водневих енергоустановок з конверсією твердих органічних відходів

Принцип дії автономних когенераційних енергоустановок з конверсією твердих органічних відходів з використанням обладнання Інституту вугільних енерготехнологій НАН України

Області застосування

Автономні установки для одержання теплової та електричної енергії з конверсією твердих органічних відходів можуть бути використаними для незалежного енергопостачання в комунальній енергетиці та хімічній промисловості, госпіталях та лікарнях, харчовій промисловості, навчальних закладах, фермерських господарствах, приватних будинках, магазинах, готелях, будинках на колесах, системах живлення спеціальних пристроїв та інструментів тощо.

Короткий опис

В газифікаторі ІВЕТ НАНУ, який можна трансформувати для конверсії різних твердих органічних відходів в різних модифікаціях щільного та киплячого шару, одержується збагачений воднем синтез-газ та в разі необхідності чистий водень. Пуск газифікатора здійснюється з використанням плазмотронів (парового чи повітряного). В залежності від властивостей твердих органічних відходів газифікатор може працювати як з використанням, так і без використання плазмотронів.
Для побудови когенераційних енергетичних установок використано паралельно-послідовну схему роботи пристроїв одержання теплової та електричної енергії. В залежності від потреб в холодну пору року можна одержувати тільки тепло в котлі з використанням збагаченого воднем синтез-газі чи чистого водню. Для досягнення автономності, збільшення енергоефективності та роботи установки в маневреному режимі отримана в котлі гаряча вода надходить в акумулятор тепла, що забезпечує можливість періодичності роботи котла з безперервним незалежним постачанням тепла на опалення з акумулятора тепла.
В разі вироблення тепла і електроенергії, тепло з електрогенератора з двигуном внутрішнього згоряння (ДВЗ), електрохімічного генератора на паливних елементах (ЕХГ на ПЕ) чи газотурбінної установки (ГТУ) надходить в утилізатор тепла. В схемах когенераційних енергоустановок можуть бути задіяні ЕХГ на ПЕ, наприклад, з планарними твердооксидними паливними елементами Bloom Energy, Rolls Royce; трубчатими твердооксидними паливними елементами Mitsubishi Hitachi Heavy Industries, Bosch Thermotechnology/Aisin Seiki чи ін.
Для досягнення автономності, збільшення енергоефективності та роботи когенераційних установок в маневрених режимах одержана в електрогенераторах електрична енергія надходить через зарядний пристрій в електричні акумулятори, з яких через інвертор електроенергія надходить споживачу. Таким чином, когенераційні енергетичні установки є гібридами щодо вироблення як електроенергії, так і тепла зі застосуванням акумуляторів. В цих установках для досягнення автономності використовуються як періодично діючі енергоустановки, так і акумулятори. Це зроблено для зменшення навантаження на основне обладнання (газифікатор, плазмотрони, котел, електрогенератори, паливні елементи) та збільшення ресурсу роботи енергоустановок, що діють періодично, з безперервним постачанням з акумуляторів споживачу електроенергії та тепла.
Для подальшого збільшення енергоефективності в схемах когенераційних установок можуть бути задіяні металгідридні акумулятори водню (для накопичення водню в теплу пору року та його використання в холодну пору року у водневому котлі), сонячні панелі без використання електролізерів та з використанням електричних акумуляторів для електропостачання та для роботи електронагрівачів, вбудованих в акумулятор тепла, та з електролізерами (з виробленням водню для роботи ЕХГ на ПЕ та кисню для роботи газифікатора), а також теплові насоси.

Очікувані властивості

В результаті проведення комплексних досліджень буде створено нову автономну когенераційну установку тепловою потужністю до 20 кВт з використанням газифікатора, котла та електрогенератора з приводом від ДВЗ. Буде розроблено технологію та випробувано вузли когенераційних установок для конверсії твердих органічних відходів в газ, придатний для використання в електрохімічних генераторах на твердооксидних та полімерних паливних елементах.

Переваги

Збільшення ефективності використання енергії твердих органічних відходів завдяки одночасному виробленню електроенергії та тепла, використанню акумуляторів теплової та електричної енергії та електрохімічних генераторів на паливних елементах. Збільшення ресурсу установок завдяки зменшенню навантаження на основне обладнання, мобільність роботи установок завдяки використанню акумуляторів тепла та електрики, можливість роботи на різних видах твердих органічних відходів. Зниження вартості отриманої електричної та теплової енергії завдяки використанню дешевої органічної сировини (твердих органічних відходів) та енергетичного обладнання.

Конкуренти

Стан розробки

Розроблено газифікатор-трансформер, який випробувано на різних видах твердих органічних відходів (ТОВ), з метою подальшого використання в складі когенераційних енергетичних установок. Визначено, обрано та придбано основне обладнання для роботи когенераційної установки: котел та електрогенератори. Котел є стандартним твердопаливним котлом Колві Євротерм КТК для автономного опалення приміщень до 200 м2 тепловою потужністю до 18 кВт зі спалюванням антрациту, кам’яного вугіллі, брикетів та деревині, який переведено на спалювання одержаних в газифікаторі синтез-газу та водню (шлях від карбонізації до декарбонізації). В схемі електропостачання задіяний електрогенератор з ДВЗ Endress ESE 3200P номінальною електричною потужністю 2,35 кВт, який модифіковано для роботи на збагаченому воднем синтез-газі. Електрогенератор з різними карбюраторами може також автономно працювати на бензині, пропан-бутані та природному газі.
Розпочато оптимізацію роботи газифікатора, котла та електрогенератора з ДВЗ для одержання тепла та електрики. Роботу газифікатора перевірено на різних видах твердих органічних відходах (ТОВ). Встановлено оптимальні параметри газифікації різних ТОВ в залежності від їх складу та витрат окислювачів (повітря та водяної пари) з метою використання одержаного газу для роботи когенераційних та тригенераційних енергоустановок. Для збільшення ефективності газифікації використано тангенційну двостадійну подачу повітря в зони парціального окиснення та карбонізації газифікатора. Визначено закономірності збільшення мольного співвідношення сполук Н2/СО в одержаному після газифікації газі завдяки використанню високотемпературної водяної пари. Температура газів на виході з зони карбонізації залежить від типу ТОВ і для ефективної їхньої конверсії повинна становити від 300 до 500 оС, а температура газів на виході з газифікатора – вище 600-650 оС. Встановлено, що використання реактора з відновленим Ni-каталізатором є найкращим варіантом для використання в когенераційних установках з метою зниження вмісту високомолекулярних сполук в газі перед електричними генераторами.
Визначено, що для забезпечення повного автономного клімат-контролю в приміщеннях необхідно використовувати автономні тригенераційні енергетичні установки для виробництва електрики, тепла та холоду. В цьому разі досягається максимальна ефективність використання енергії ТОВ під час змінення як добового навантаження, так і навантаження в різні пори року. Розроблено принципову схему установки одержання холоду з використанням твердих органічних відходів.
Розроблено принципову схему гібридної енергетичної установки електричною потужністю 250 кВт з газифікатором під тиском, газотурбінною установкою 9І120 та електрохімічним генератором на твердооксидних паливних елементах.
Встановлено, що використання ТОВ як палива в когенераційних та тригенераційних енергоустановках зменшує вартість одержаних продуктів у порівнянні зі застосуванням традиційних видів палива в 1,5-2,0 рази.
Проведено аналіз та підготовлено пропозиції та щодо можливості використання побічного продукту конверсії ТОВ – вуглекислого газу для роботи полігенераційних когенераційних водневих енергоустановок з метою виробництва електроенергії, добрив, пластику, біопалив третього покоління, будівельних матеріалів, нановуглецю та ін.

Інтелектуальна власність

Результати розробки когенераційних енергетичних установок на твердих органічних відходах є власністю Інституту вугільних енерготехнологій НАН України. Розроблення частин цих установок наведено в патентах:

Публікації:

Автономна когенераційна енергоустановка з використанням енергії твердих органічних палив та водню

Нові парогазові та гібрідні енегетичні установки на паливних елементах

Контактна інформація

Виконавець:

Проект №3 «Розроблення автономних когенераційних водневих енергоустановок з конверсією твердих органічних відходів»

Контактна особа:

Teл. +38 044 425-04-19

Е-mail: aldudnyk2018@gmail.com