Экономическая эффективность систем с применением твердооксидных топливных элементов на природном газе

Применение топливных элементов на природном газе может значительно увеличить устойчивость и эффективность энергоснабжения частных домов, обеспечить важные экологические преимущества и снизить затраты на энергоресурсы. Однако широкое использование топливных элементов на природном газе в жилых домах ограничено рядом факторов, среди которых наиболее значимым является высокая стоимость топливного элемента. В исследовании проведен анализ потребления энергоресурсов для двух систем энергообеспечения, стандартной системы на основе двухконтурного газового котла и системы с применением твердооксидного топливного элемента на природном газе.

Цель. Определить экономическую целесообразность применения твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) на природном газе в частных жилых домах.

Методы. Сбор данных о потреблении энергоресурсов анализируемого здания проводился с помощью показаний счетчиков. На основании этих данных создавались годовые графики потребления электроэнергии и природного газа. Схема системы энергообеспечения частного дома с использованием ТОТЭ, а также уравнение математической модели потребления природного газа системой с ТОТЭ строились на основе законов сохранения энергии и массы, а также с применением статистических методов анализа существующих исследований в области применения топливных элементов.

Результаты. В ходе проведения исследования был составлен график динамики цен на энергоресурсы по месяцам для двух сравниваемых систем.

Заключение. Внедрение систем энергоснабжения на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), работающих на природном газе, в жилых домах может быть многообещающим решением. Сравнение системы на основе двухконтурного газового котла без ТОТЭ и системы с ТОТЭ на природном газе показало, что ежемесячная экономия колеблется от 24 % до 47 %, при среднем годовом значении в 34,5 %. Для семьи из трех человек, проживающей в двухэтажном кирпичном доме в Казани, Республика Татарстан, это означает ежегодную экономию в размере 25 080 рублей.

1. Roy D., Samanta S., Roy S., Smallbone A., Roskilly A.P. Technoeconomic and environmental performance assessment of solid oxide fuel cell-based cogeneration system configurations // Energy. 2024. Vol. 310, №133145. 2. Липилин А.С., Нефедкин С.И., Чухарев В.Ф., Киселев И.В., Козлов С.И., Юдин А.Л.

2. Энергоснабжение малоэтажных домостроений на основе эффективного использования природного газа в технологии ТОТЭ // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. 2010. № 883.

3. Singla M., Nijhawan P., Oberoi A. Hydrogen fuel and fuel cell technology for cleaner future: a review // Environmental Science and Pollution Research. 2021.Vol. 28. pp. 15607-15626.

4. Смородова О.В., Китаев С.В., Ерилин И.С. К проблемам использования природного газа в качестве топлива для твердооксидных топливных элементов // Norwegian Journal of Development of the International Science. 2018. № 4-1. c. 51-54.

5. Choudhary T., Kumar Sahu M., Sanjay. CFD modeling of SOFC cogeneration system for building application // Energy Procedia. 2017. Vol. 109. pp. 361-368.

6. Собянин В.А. Высокотемпературные твердооксидные топливные элементы и конверсия метана // Российский химический журнал. 2003. т. XLVII. №6.

7. Ahmadi S., Ghaebi H., Shokri A. A comprehensive thermodynamic analysis of a novel CHP system based on SOFC and APC cycles // Energy. 2019. Vol. 186. № 115899.

8. Heidarshenas B., Abdullah M.M., Sajadi S.M., Yuan Y., Malekshah E.H., Aybar H. Exergy and environmental analysis of SOFC-based system including reformers and heat recovery approaches to establish hydrogen-rich streams with least exergy loss // International Journal of Hydrogen Energy. 2024. Vol. 52. pp. 845-853.

9. Roy D., Samanta S., Roy S., Smallbone A., Roskilly A.P. Technoeconomic and environmental performance assessment of solid oxide fuel cell-based cogeneration system configurations // Energy. 2024. Vol. 310. № 133145.

10. Филимонова А.А., Чичиров А.А., Чичирова Н.Д., Печенкин А.В. Обзор проектных схем гибридных систем с твердооксидным топливным элементом и газовой турбиной для комбинированного производства тепла и электроэнергии // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии. 2022, 15(7). С. 812–834.

11. Baldi F., Wang L., Perez-Fortes M., Marechal F. A Cogeneration system based on solid oxide and proton exchange membrane fuel cells with hybrid storage for off-grid applications // Frontiers in energy research. 2019. Vol. 6. № 139.

12. СП 50.13330.2024 «СНИП 23-02-2003 Тепловая защита зданий».

13. ГОСТ 5542-2014 «Газы горючие природные промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия».

14. Постановление Государственного комитета РТ по тарифам от 15.12.2023 №682-24/э-2023.

15. Постановление Государственного комитета РТ по тарифам от 19.12.2023 № 818-1/г-2023.