Перспективные технологии с использованием ГТУ

Основными составными элементами гибридных электростанций являются: топливные элементы, газотурбинные установки и газовоздушные теплообменники (рекуператоры)
Ключевой составляющей гибридного цикла являются топливные элементы (ТЭ). Топливный элемент (ТЭ) – это устройство, в котором химическая энергия топлива (восстановителя) и окислителя, непрерывно и раздельно подводимых к электродам, непосредственно превращается в электрическую энергию. ТЭ является разновидностью гальванического элемента и характеризуется электрохимический системой, т.е. совокупностью окислителя, восстановителя и ионного проводника (электролита). Как следует из определения, в ТЭ энергия химической реакции восстановителя R (англ. Reduction), и окислителя O (англ. Oxidation.) (обычно кислорода) преобразуется в электрическую энергию.

В мировой промышленности крупные производители энергетического оборудования уже продемонстрировали первые пилотные установки. Компании «Siemens-Westinghouse», «Fuel Cell Energy» и «Mitsubishi» построили установки по 220, 250 и 200 кВт с электрическим КПД 53, 56% и 52,1 соответственно. Также в разработке ряд установок от 200 до 1000 кВт находится у компаний «Rolls Royce», «DLR», «Ansaldo», «J-Power», «IHI», а компания «GE Energy» проектирует установку в несколько МВт

Элемент состоит из двух электродов и электронного проводника (электролита) между ними. На одном из электродов происходит реакция электроокисления топлива. Такой электрод в электрохимии называют анодом, в ТЭ его также называют топливным электродом. На втором электроде протекает электрохимическое восстановление окислителя, как правило, кислорода. В электрохимии такой электрод называют катодом. Электроды в ТЭ служат для проведения электрохимических реакций, подвода или отвода электронов. В электролите происходит движение положительно или отрицательно заряженных частиц (ионов). Ионный проводник также служит для разделения окислителя и восстановителя. При работе ТЭ анод и катод замыкаются проводником первого рода, по которому электроны двигаются от анода к катоду, совершая на своем пути работу.

ВАХ – это графическое изображение зависимости напряжения ТЭ от тока (плотности тока)

В ГибЭС подводимое тепло в ГТУ Q1 может складываться из трех составляющих

В зависимости от применяемого электролита можно выделить следующие основные типы топливных элементов: - твердополимерные (ТПТЭ). Эти топливные элементы отличаются компактностью, высокой степенью надежности и экологической безопасности. Электрический КПД твердополимерных топливных элементов составляет до 45%, рабочая температура - около 80 оС. В качестве топлива используется чистый водород. Серьезным препятствием на пути широкого распространения этих топливных элементов является высокая стоимость получаемой с их помощью электроэнергии (в ТПТЭ применяются катализаторы из платины и ее сплавов). Тем не менее, обладая уникальными качествами, они имеют хорошую перспективу для широкого применения.
- фосфорнокислые (ФКТЭ). Электрический КПД топливных элементов на фосфорной кислоте при выработке электроэнергии составляет до 40%, при совместном производстве тепла и электричества – до 80%. Рабочие температуры находятся в пределах 180...230 оС. ФКТЭ обладают относительно невысоким КПД и требуют некоторого времени для выхода на рабочий режим при холодном старте. Но при этом они отличаются относительно простой конструкцией.
- ТЭ на расплавленном карбонате (РКТЭ). Этот тип относится к высокотемпературным устройствам. Высокая рабочая температура ТЭ (600…700 оС) позволяет использовать в качестве топлива природный газ, который преобразуется встроенным конвертором в водород и монооксид углерода. Электрический КПД достигает 50%. В связи с большим количеством выделяемого при работе тепла, РКТЭ успешно применяются для создания стационарных источников электрической и тепловой энергии.
- твердооксидные (ТОТЭ). В этих топливных элементах вместо жидкого электролита применяется твердый керамический материал, что позволяет достигать высоких рабочих температур - 900…1000 оС. Электрический КПД составляет 45-50%. ТОТЭ могут работать на различных видах углеводородного топлива. Топливные элементы с твердым электролитом имеют хорошую перспективу для использования в промышленных установках средней и даже большой мощности.

Параметры ТОТЭ

ТОТЭ имеют два основных вида конструкций: цилиндрические и планарные. Одна из сложных проблем в ТЭ – это герметичность ячейки, а в цилиндрических элементах она упрощена. Это преимущество над остальными перевешивает другие недостатки, присущие цилиндрической форме - более низкий уровень плотности энергии и длинный путь тока.

Топливные элементы вырабатывают постоянный ток, поэтому в состав электрохимических установок входит инвертор для преобразования постоянного тока в переменный.
Вторым основным элементом ГибЭС является газотурбинная установка. Температура газов после ТОТЭ находиться в диапазоне 750-1000 оС. Это тепло и можно использовать для дополнительной выработки электроэнергии в ГТУ.
Важно отметить, что температура на входе в модуль ТОТЭ должна быть в интервале 500-650 оС для предотвращения термических ударов и возможных повреждений электрохимического генератора. Следовательно, рекуперация в гибридных установках необходима.

В топливных элементах есть ограничения на разность температур на входе и на выходе (по причине значительных температурных напряжений). Из-за этого минимальное значение температуры воздуха перед ЭХГ составляет 500-650 оС. Этот факт накладывает ограничения на степень сжатия в компрессоре, и, как следствие, снижает производимую работу в газовой турбине, так как чем выше степень сжатия, тем ниже температура газов за газовой турбиной. Повышение давления сопровождается увеличением КПД топливных элементов и газотурбинного цикла, но с другой стороны сами по себе ТЭ значительно удорожаются.

Выявлена степень и характер влияния отдельных параметров схемы ГибЭС (плотность тока ТЭ, степень использования топлива в ТЭ, КПД компрессора и турбины, степень регенерации и температура наружного воздуха) на выбор оптимальной степени сжатия в компрессоре ГТУ. Установлено, что ключевыми показателями, наиболее сильно влияющими на тепловую экономичность ГибЭС, являются плотность тока и степень использования топлива в ТЭ. При этом для большинства условий оптимальное значение степени сжатия в компрессоре будет находиться в интервале 2,5-4,5.