Водородная энергетика

Повышение эффективности и безопасности водородных систем

В системах типа «электролизная установка—топливный элемент» (ЭЛУ–ТЭ) электроэнергия хранится в виде сжатых кислорода и водорода, которые производят в электролизной установке путем разложения воды. При необходимости снова получить электроэнергию эти газы направляются в топливный элемент, где происходит электрохимическая реакция и вырабатывается электричество (рисунок 7).

Схема водородного накопителя
Рис. 7 Схема водородного накопителя

Основными недостатками, сдерживающими использование подобных энергетических установок (ЭУ), являются их сравнительно низкий КПД и взрывоопасность в нештатных ситуациях.

Причиной относительно невысокой эффективности преобразования электроэнергии в системах ЭЛУ–ТЭ является значительное количество тепла, выделяющегося при работе этих агрегатов. В современных электролизерах на производство 1 м3 водорода затрачивается в среднем около 5 кВт · ч электроэнергии и при этом выделяется примерно 2 кВт · ч тепла. В связи с этим совместная работа даже в идеальном случае не слишком эффективна, несмотря на высокие КПД ЭЛУ и ТЭ (∼60%):

формула

С учетом же потерь энергии на собственные нужды КПД подобных энергетических установок составит около 25–30%.

Повысить эффективность совместной работы ЭЛУ и ТЭ можно, сохраняя в системе тепло, выделяющееся при работе установок. Накопленное тепло можно использовать на собственные нужды и для снабжения внешних потребителей.

При работе систем ЭЛУ–ТЭ с ВИЭ (солнце, ветер) рабочий цикл ЭУ оказывается практически произвольным. В связи с этим возникает необходимость обеспечить минимальное время выхода ЭЛУ и ТЭ на рабочий режим. Введение в состав системы дополнительного теплового аккумулятора (теплоизолированной емкости с водой) позволит накапливать тепло, выделяемое работающим агрегатом, и в нужный момент использовать это тепло для пускового разогрева неработающего агрегата. Вода, будучи теплоносителем, будет одновременно служить и рабочим телом ЭЛУ.

Принципиальная схема такой ЭУ приведена на рисунке 8. В данной схеме теплоизолированная емкость с водой выступает связующим звеном по теплу между системами терморегулирования ЭЛУ и ТЭ. Благодаря этому неработающий агрегат можно поддерживать при рабочей n(или близкой к рабочей) температуре. Кроме того, запасенное тепло можно использовать для снабжения внешних потребителей тепла.

Принципиальная схема ЭУ
Рис. 2.23. Принципиальная схема ЭУ: 1 — ЭЛУ с системой терморегулирования (2); 3 — ТЭ с системой терморегулирования (4); 5, 6 — баллоны с водородом и кислородом; 7 — емкость с реакционной водой; 8 — теплоизолированная емкость с водой

Водород и кислород в ЭУ приходится хранить при высоком давлении в баллонах, расположенных в непосредственной близости друг от друга. Такие ЭУ должны быть безопасными для потребителя. В кислородо-водородных ЭУ в качестве средства взрывозащиты целесообразно использовать реакционную воду. Вода является эффективным средством для подавления ударных волн.

Взаимодействуя с водной преградой, взрывная волна тратит свою энергию на дробление воды и ее испарение. А поскольку эти процессы достаточно энергоемкие, сила взрыва существенно снижается.

Количество воды mв, необходимое для демпфирования взрыва ЭУ, можно определить из соотношения

формула

где E — энергоемкость ЭУ; Qв — теплота испарения воды.

В формуле не учтены энергозатраты на дробление воды и ее нагрев до температуры кипения, поскольку они существенно меньше теплоты испарения воды.

Реализовать водяную защиту можно с помощью разделительных перегородок, заполненных водой. Прочность таких перегородок должна быть меньше прочности корпуса установки. В случае взрыва в ЭУ газовых баллонов такие перегородки разрушаются в первую очередь, а вода распыляется внутри установки, поглощая при этом в процессе распыления и испарения значительную часть энергии взрыва.

Таким образом, в кислородо-водородных ЭУ вода может служить одновременно рабочим компонентом для получения газов, теплоносителем и средством взрывозащиты.