Построение накопителей электрической энергии на основе топливных элементов прямого действия с применением метанола

Аннотация 2
Введение 8
1. Использование энергии водорода 19
1.1. Хранение жидкого водорода 21
1.2. Гидридная система хранения водорода 23
2. Производство метанола из электроэнергии, воды и углерода 24
2.1 Растворимость CO2 25
2.2 Производство H2 26
3. Проектирование установки для производства метанола 28
3.1 Расчет углекислого газа 32
3.2 Расчет угарного газа 33
3.3 Расчет метанола 34
3.4 Вспомогательное оборудование 34
4. Использование топливного элемента для накопления энергии 43
5. Прямое использование топливного элемента 46
6. Принцип работы накопителя электрической энергии 48
7. Окислитель - кислород 49
7.1 Технологические преимущества 49
7.2 Современные производительности 49
7.3 Системные проблемы 50
7.4 Подсистема ячеек 51
7.5. Подсистема подачи метанола, воды, кислорода 52
7.6. Подсистема управления тепловыми и водными ресурсами 54
7.7 Производительность топливного элемента 56
8. Расчет габаритов накопителя электрической энергии 57
9. Проектирование установки 10 кВт для накопления электрической 60
энергии 60
9.1 Вспомогательное оборудование 75
9.2 Структурное размещение объектов накопителя электрической
энергии 82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 87


Купить

Вопросы, связанные с дальнейшими путями развития энергетики, с каждым годом становятся все актуальнее.
В связи с повышением численности населения, их стремлению к увеличению уровня жизни, возникает потребность в увеличении наращивания генерируемых мощностей. Кроме этого, возникают экологические проблемы, что приводят к истощению природных ресурсов, а именно, газа и нефти, и требует полученную энергию использовать рационально и экономично.
В этом процессе большую роль играет возобновляемые источники энергии (солнце, ветер, геотермальные источники, гидроресурсы, биогаз). Но эффективно работать без накопителей энергии эти источники не могут.
Большое значение имеет аккумулирование энергии. Два основных потребителя аккумуляторов: стационарные потребители и транспортные установки.
Вопрос об аккумулирования энергии для электроэнергетики приобретает все большую остроту, задача которой состоит в производстве электроэнергии и обеспечении ею потребителей.
Если бы существовал не слишком дорогой электрический аккумулятор большой емкости с достаточно высоким КПД, то колебания в потреблении электроэнергии стали не ощутимыми. Электростанции всегда работали бы на неизменном, самом выгодном расчетном режиме. В часы снижения потребления происходила зарядка аккумулятора, а в часы наибольшего потребления энергия, накопленная в аккумуляторе, передавалась потребителям. К сожалению, такого электрического аккумулятора тоже нет.
Существуют различные виды аккумуляторов энергии. Аккумуляторы, накапливающие механическую энергию, - механические аккумуляторы. Один из их представителей - гидроаккумулирующие электростанции- ГАЭС. Схема представлена на рис. 1. Когда снижается потребность в электроэнергии, ее избыток используется на ГАЭС для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний. Таким образом «лишняя» электрическая энергия превращается вмеханическую (потенциальную) энергию. Во время повышенного спроса на электроэнергию производится транспортировка воды из верхнего резервуара в нижний. При этом вода протекает через гидротурбогенератор, в котором ее потенциальная энергия превращается в электрическую.


Рис 1. Схема гидроаккумулирующей электростанции
На рис. 1 показаны верхний и нижний резервуары, соединяющий их трубопровод (водовод), базовая, работающая на неизменной нагрузке электростанция. Показанный на рисунке агрегат - насос - турбина - является обратимым: он может работать и как насос, и как гидравлическая турбина. Агрегат - насос - турбина соединен также с обратимой электрической машиной (мотором-генератором), могущей работать и как электрический мотор для привода в действие насоса, и как электрический генератор.
Второй тип механического аккумулятора, предназначается для транспортных устройств. Принцип его работы прост. Аккумулятор этого типа - маховик, обладающий большой массой и раскручиваемый до очень высокого числа оборотов.
Запасаемая им энергия - кинетическая энергия самого маховика. Для повышения кинетической энергии маховика нужно увеличивать его массу и число оборотов вращения. Но с ростом числа оборотов увеличивается центробежная сила, что может привести к разрыву маховика. Поэтому для маховиков используются самые прочные материалы. Например, сталь и стеклопластик. Уже изготовлены маховики, масса которых измеряетсямногими десятками килограммов, а частота вращения достигает 200 тыс. оборотов в минуту.


Рис 2. Маховик для сохранения электрической энергии
Потери энергии при вращении маховика вызываются трением между поверхностью маховика и воздухом и трением в подшипниках. Для уменьшения потерь маховик помещают в кожух, из которого откачивается воздух, т. е. внутри кожуха создается вакуум. Применяются самые совершенные конструкции подшипников. В этих условиях годовая потеря энергии маховиком может быть менее 20%.
В настоящее время созданы опытные образцы городских автобусов с аккумулятором энергии этого типа.
Электрохимический аккумулятор заряжается (накапливает энергию) путем питания его электрической энергией. В аккумуляторе она преобразуется в энергию химическую. Выдает же электрохимический аккумулятор накопленную энергию вовне снова в виде электрической энергии.
Аккумулятор этого типа имеет два электрода - положительный и отрицательный, погруженных в раствор - электролит (рис.3). Преобразование химической энергии в электрическую происходит посредством химической реакции. Чтобы дать начало реакции, достаточно замкнуть внешнюю часть электрической цепи аккумулятора. На отрицательном электроде, содержащем восстановитель, в результате химической реакции происходит процесс окисления. Образующиеся при этом свободные электроны переходят повнешнему участку электрической цепи от отрицательного электрода к положительному. Между электродами возникает разность потенциалов, создающая электрический ток.


Рис 3. Электрохимический аккумулятор
Таков процесс разрядки аккумулятора, когда он работает как источник тока. При зарядке аккумулятора химическая реакция протекает в обратном направлении.
Электрохимические аккумуляторы получили очень широкое распространение главным образом при запуске двигателей внутреннего сгорания.
В настоящее время больше всего используются сравнительно дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы. Более высокие показатели имеют, но зато и стоят дороже серебряно-кадмиевые аккумуляторы.Главным недостатком всех существующих электрохимических аккумуляторов является низкое значение удельной (т. е. отнесенной к 1 кг массы аккумулятора) энергии, запасаемой аккумулятором. Другими словами, если сделать относительно мощный аккумулятор (например, для привода в движение автомобиля, т. е. мощностью того же порядка, что и мощность автомобильного бензинового двигателя), чтобы между зарядками аккумулятора такой автомобиль прошел несколько сотен километров, то аккумулятор получается очень тяжелым и громоздким. Такой автомобиль практически не может транспортировать ничего другого, кроме питающего его аккумулятора.
Свинцово-кислотный аккумулятор обладает удельной энергией порядка 100 кДж/кг, более дорогой серебряно-кадмиевый аккумулятор - около 400 кДж/кг, в то время как бензин имеет теплотворную способность примерно 40 000 кДж/л.
Именно по этой причине электромобили с электрохимическими аккумуляторами находят пока только узкое применение. Например, в случаях, когда радиус пробега мал, а остановок приходится делать много (городские автомобили для почты, для развозки молока и т. п.).
С каждым годом увеличивается интерес к аккумуляторам тепла (рис. 4). Ко всем причинам, вызывающим этот интерес (а среди них прежде всего суточные колебания потребления тепла), появилась еще одна. И очень важная. Речь идет об использовании энергии Солнца для нагревания, чаще всего для отопления. За последние годы использование солнечной энергии для отопления стало, как уже об этом говорилось, во многих районах Земли выгодным и поэтому быстро развивается.
Но для земных условий Солнце - не постоянный источник энергии: днем солнечная радиация имеется, ночью - нет. По этой причине отопление за счет энергии солнца возможно при использовании аккумулятора тепла: днем он должен запасать тепло за счет солнечного излучения, а ночью - отдавать.
Аккумуляторы тепла подразделяются на две основные группы: во-первых, запасающие тепло путем нагревания рабочего тела аккумулятора, температуракоторого при этом повышается, и, во-вторых, накапливающие тепло в результате перехода рабочего тела из одного агрегатного состояния в другое, чаще всего из твердого в жидкое; в этом случае температура рабочего тела не изменяется или изменяется мало.


Рис 4. Аккумулятор тепла
Передача тепла потребителю от аккумуляторов первой группы происходит за счет охлаждения рабочего тела и понижения его температуры, а от аккумуляторов второй группы - за счет возвращения рабочего тела в первоначальное агрегатное состояние (замерзание).
Важно отметить, что, каким бы ни было устройство аккумулятора тепла, необходимо придерживаться одного, главного принципа: температура рабочего тела должна поддерживаться как можно более высокой, по возможности близкой к температуре того источника тепла, от которого заряжается аккумулятор тепла. Чем выше температура источника тепла, тем более ценно запасенное им тепло. В пределе, если источник тепла имеет температуру среды, то ни сам источник тепла, ни запасенное им тепло не представляет никакой ценности. Все это, есть не что иное, как содержание второго закона термодинамики.Рабочее тело должно иметь хорошую тепловую изоляцию от окружающей среды, с тем чтобы в максимальной мере снизить неизбежные потери тепла и сохранить возможно более высокую температуру.
В случае аккумулятора тепла по-прежнему большое значение имеют его размеры (вспомним критическую массу для ядерного горючего). Чем больше аккумулятор тепла (объем его рабочего тела), тем меньше отношение его поверхности к объему и тем, следовательно, меньше относительные (удельные) потери тепла, например, отнесенные к единице запасенного тепла или к единице массы рабочего тела.
В качестве рабочего тела в аккумуляторах первой группы (аккумуляторов с переменной температурой) чаще всего употребляются жидкости и твердые тела. В случае, когда потребитель нуждается в тепле температурой не выше 100° С (например, для отопления и бытовых нужд), хорошим рабочим телом служит вода. Она имеет большую теплоемкость (примерно 4,2 кДж/кг, или 1,0 ккал/кг), практически несжимаема, поэтому требуется мало энергии на ее прокачку, стоит дешево. Если же потребителю нужно тепло с более высокой температурой, то преимущества воды резко снижаются: в этом случае пришлось бы использовать воду при давлении более высоком, чем атмосферное, и стоимость аккумулятора и его эксплуатация существенно возрастают.
Хорошим рабочим телом для аккумулятора тепла с переменной температурой служат также твердые тела: гравий, щебень, морская галька. В аккумуляторе этого типа нагревание рабочего тела производится путем продувки через него подогретого (например, в солнечном нагревателе) воздуха. В часы разрядки теплового аккумулятора продуваемый через твердое рабочее тело холодный воздух нагревается и переносит полученное от рабочего тела тепло потребителю. Таким образом воздух в данном случае выполняет роль теплоносителя.
В тепловых аккумуляторах второй группы (работающих при постоянной температуре и использующих тепло фазового превращения, обычно «твердое тело - жидкость») в качестве рабочих тел чаще всего применяются различныесоли. Например, поваренная соль, температура плавления которой близка к 800° С. В этом случае аккумулятор запасает тепло (при постоянной температуре) в результате плавления соли и отдает его потребителю (при постоянной температуре) в процессе замерзания этой соли.
Рассмотренные типы аккумуляторов энергии находят применение в настоящее время. Могут возникнуть такие вопросы: как обстоит дело с аккумуляторами, накапливающими непосредственно электрическую энергию без преобразования ее на время «хранения» в другие виды энергии? Есть ли в этой области интересные идеи или, может быть, уже созданы удовлетворяющие запросы энергетики конструкции таких аккумуляторов?
Ответов на этих вопросов нет. Идеи есть, но конструкции такого аккумулятора пока не существует. Более того, трудно даже сказать, когда можно ожидать появления такого аккумулятора.
Что собой представляет электрический аккумулятор, в котором энергия хранится в виде энергии электрического поля. По существу, это не что иное, как электрический конденсатор. Схема устройства показана на рис. 5. Конденсатор состоит из двух электродов, именуемых обкладками, и находящегося между ними диэлектрика. По тому, какой избран диэлектрик, называется тип конденсатора: стеклокерамический, слюдяной, бумажный, пленочный, электролитический, полупроводниковый.
Система обкладок и диэлектрика обладает электрической емкостью. Когда показанный на рис. 5 переключатель замкнут на источник тока (на рисунке внизу), происходит зарядка конденсатора. В заряженном конденсаторе энергия хранится в виде энергии электрического поля диэлектрика. Если переключатель перевести в верхнее положение, т. е. замкнуть электрическую сеть на потребителя, происходит разрядка конденсатора.
Ввиду того что удельная энергия, запасаемая конденсатором, очень невелика (практически от 10 до 400 Дж/кг), а длительность возможного хранения энергии вследствие имеющейся ее утечки небольшая, этот тип аккумулятора энергии применяется только в тех случаях, когда надо отдать электроэнергию потребителю за очень короткое время при кратком сроке ее хранения.
Другой вид аккумулятора, запасающего непосредственно электрическую энергию, - соленоид - катушка, намотанная из изолированного провода (рис. 6). При протекании постоянного тока по обмоткам соленоида возникает, как показано на рисунке, магнитное поле. Электрическая энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля. Поэтому этот тип накопителя именуется электромагнитным.

Рис. 6. Схема соленоид - катушка
Описанный вид аккумулятора электрической энергии в настоящее время не может быть использован для решения главных энергетических задач, т. е. в случаях, когда количество запасаемой энергии должно быть велико, а время разрядки и время хранения энергии должно быть достаточно длительным
(измеряться часами, а еще лучше - сутками). На самом деле время выдачи энергии электромагнитными аккумуляторами обычно измеряется даже не секундами, а долями секунды.
Следует отметить, что работа по улучшению основных показателей электромагнитных накопителей энергии и расширению диапазона их возможного применения ведется интенсивно. Большой интерес представляет создание сверхпроводящих соленоидов, у которых электрическое сопротивление обмоток равно нулю, что делает возможным использование больших значений электрического тока и, следовательно, увеличение запасаемой аккумулятором энергии.
Наиболее перспективным направлением накопления электрической энергии, путем преобразования её в другой вид энергии, является химическая отрасль. Из химических источников до промышленного производства дошли сульфидные натриевые аккумуляторные батареи, литиевые аккумуляторные батареи. Для данного варианта накопления объем сохраняемой энергии ограничен объемом самого химического элемента. На сегодняшний момент использование такого вида накопителей электрической энергии, в промышленных условиях, не представляется возможным за счет огромной занимаемой территории, сложности утилизации отработанных элементов, а также большой стоимостью устройства. Цена данного типа накопителей резко возрастает при необходимости увеличения объема хранения.
Таким образом, разработка эффективного, экономически оправданного накопителя, способного накапливать энергию в гигантских промышленных масштабах, по аналогии с существующими углеводородами, остается острой и актуальной проблемой. Эта проблема названа одной из 12 прорывных технологий, решение которой существенным образом изменят глобальную экономику.
Решением проблемы может стать использование топливных элементов. Принцип работы топливного элемента отличается от принципа работы аккумуляторной батареи, в которой энергия накапливается в электродах. Для
получения электрической энергии используется водородное топливо: водород или его соединения и кислород. При электролизной реакции окисления водорода на выходе получается вода, электроэнергия и тепловая энергия.








Купить