Внедрение топливных элементов в схемы ТЭЦ для увеличения производственных мощностей

АКТУАЛЬНОСТЬ. Повышение эффективности работы станции с увеличением рабочих мощностей является одной из приоритетных задач развития энергоустановок. Одним из решений данного вопроса является внедрение топливных элементов в качестве основного или дополнительного источника мощности и теплоты. Разработка качественной схемы внедрения топливных элементов на тепловые станции позволит повысить их производственную мощность с возможностью дальнейшего снижения углеродного следа путем уменьшения потребления природного газа.

ЦЕЛЬ. Проведение анализа эффективности внедрение топливных элементов для увеличения производственных мощностей ТЭЦ.

МЕТОДЫ. При решении поставленной задачи применялся метод, основанный на законе сохранения энергии при стационарных условиях работы схем. Выбранный метод расчета был реализован с применением программного обеспечения MatLab, DvigWT и Microsoft Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье представлены три вида схем ТЭЦ в компоновке с топливными элементами и указанием их конкретных достоинств и недостатков. Выполнен анализ методов добычи водорода с выбором одного из них путем выполнения оценки себестоимости производства водорода. Произведен технико-экономический анализ внедрения топливных элементов на станции с учетом стоимости выработки водорода. Осуществлен расчет углеродного следа от внедрения топливных элементов на станции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. При внедрении топливных элементов на ТЭЦ увеличивается производственная эффективность выработки электрической энергии на более чем 20 %, а мощность блока по выработке электроэнергии увеличивается на более чем 30 МВт. Расчеты показали, что использование топливных элементов приводит к значительному увеличения производственных мощностей, однако необходимо более подробно изучить методологию расчета самих топливных элементов и пути добычи водорода.

1. Овчинникова Н.Г., Жидкова Е.И., Тимофеева В.А. Рациональное использование и охрана природных ресурсов города Азова // Экономика и экология территориальных образований. 2020. Т.4. №1. С. 52-60.

2. CO2 emissions of all world countries. [Article]. Available at: https://edgar.jrc.ec.europa.eu/report_2022?vis=tot#emissions_table. Accessed: 5.12.2022.

3. Зайнетдинов Р.А. Термодинамический анализ эффективности использования тепловой энергии в поршневых двигателях // Известия международной академии аграрного образования. 2017. №35. С. 35-39.

4. История открытия топливного элемента. Доступно по: https://studopedia.su/16_35115_istoriya-otkritiya-toplivnogo-elementa.html. Ссылка активна на 4 февраля 2023.

5. Козлов С.И., Фатеев В.Н. Топливные элементы – перспективные химические источники электрической энергии // Транспорт на альтернативном топливе. 2014. №2(38). С. 7-22.

6. Филиппов С.П., Голодницкий А.Э., Кашин А.М. Топливные элементы и водородная энергетика // Энергетическая политика. 2020. №11(153). С. 28-39.

7. Коровин Н.В. Топливные элементы и электро-химические энергоустановки. М.: Издательство МЭИ, 2005. 278 с.

8. Sharafutdinov AU, Fedotov YUS, Bredikhin SI. Solid oxide fuel cell stack simulation using effective medium approximation // Kimya problemleri. 2020. Vol. 18, N3. pp. 298-314.

9. Мусави С.А., Рагимова А.А. Исследование наборов твердооксидных топливных элементов в пакетном исполнении // Бюллетень науки и практики. 2021. Т.7. №12. С. 175-184.

10. Агаркова Е.А., Агарков Д.А., Бурмистров И.Н. и др. Трехслойные мембраны для планарных твердооксидных топливных элементов электролит-поддерживающие конструкции: характеристики и применение // Электрохимия. 2020. Т.56. №2. С. 141-148.

11. Лисин Е.М., Паршина А.С., Замешаева И.С., Мусаева Д.Э. Техникоэкономические аспекты производства и использования водорода на тепловых электростанциях // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №2 (54). С. 120-133.

12. Белобородов С.С., Гашо Е.Г., Ненашев А.В. Возобновляемые источники энергии и водород в энергосистеме: проблемы и преимущества. СПб.: Наукоемкие технологии. 2021. 151 с.

13. Green Hydrogen: A guide to policy making. Abu Dhabi: IRENA (International Renewable Energy Agency); 2020. 52 p.

14. Kumar SS, Himabindu V. Hydrogen production by PEM water electrolysis_A review // Materials Science for Energy Technologies. 2019. №3. pp. 442-454.

15. Nicita A., Maggio G., Andaloro A., Squadrito G. Green hydrogen as feedstock: Financial analysis of a photovoltaic-powered electrolysis plant //International Journal of Hydrogen Energy. 2020. №. 20. pp. 11395-11408.

16. Фролов В.А., Янкевич А.И., Прохоров Н.С. Конвертор паровой конверсии СО с охлаждением. Патент РФ на изобретение №2580186. 10.04.2016. Бюл. №10. Доступно по: https://yandex.ru/patents/doc/RU2580186C1_20160410. Ссылка активна на 12 января 2023.

17. Шубин И.Л., Стронгин А.С. Ключевые факторы влияния инженерного оборудования зданий на показатели углеродного следа // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. 2022. №3(39). С. 12-20.

18. Kharton V.V. Handbook of Solid State Electrochemistry. Germany: 2009. 506 p.

19. LeValley T.L., Richard A.R., Fan M. The progress in water gas shift and steam reforming hydrogen production technologies – A review // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. Pp. 16983-17000.

20. Макарян И.А., Седов И.В., Никитин А.В. и др. Современные подходы к получению водорода из углеводородного сырья // Научный журнал Российского газового общества. 2020. №1 (24). С. 50-68.

21. Larminie J., Dicks A. Fuel Cell Systems Explained. Michigan: 2003. 418 p.

22. Tazi B., Savadogo O. Parameters of PEM fuel-cell based on new membranes fabricated from Nafion, silicotungstic acid and thiophene // Elecrtrocgim. Acta. 2000. Vol. 45. pp. 4329-4339.

23. Филимонова А.А., Власова А.Ю., Камалиева Р.Ф. Методы декарбонизации процесса получения электроэнергии в твердооксидном топливном элементе / 2022. Т.24. No 6. С. 72-82. doi:10.30724/1998-9903-2022-24-6-72-82.