Водородные технологии

Система производства водорода из органической части ТБО Одесского полигона

Предлагаемая система производства водорода состоит из низкотемпературного пиролиза отходов, высокотемпературной газификации продуктов пиролиза, а также блока мембранного разделения синтез газа на чистый водород и угарный газ. Высокая эффективность предлагаемой нами системы достигается за счет аккумуляции бросового экзотермического тепла пиролиза в материалах с фазовыми переходами, а также сжигания оксида углерода, полученного при разделении синтез газа. Показано, что использование блоков аккумуляции бросового тепла на основе материалов с фазовыми переходами в системах производства электрической энергии водородными топливными элементами также позволяет существенно повысить КПД этих систем. На Одесский полигон ТБО в год поступает в зависимости от сезона от 2,5 млн м3 до 3,0 млн м3 отходов. Соответственно энергетической переработке подлежит до 1,0 млн м3 углеродосодержащих (биологически разлагаемых) отходов. Из этого объема по предлагаемой нами технологии может быть получено 15700 тонн водорода, годовой доход от продажи которого составит 62,8 миллиона долларов. Ключевые слова: водород, твердые бытовые отходы, аккумуляция, пиролиз, газификация, органический цикл Ренкина.

Определение объема углеродосодержащих отходов на Одесском полигоне ТБО

На Одесском полигоне ТБО компания «Клиар Энерджи» в 2019 году начала работы по установке система дегазации мощностью до 3 МВт. Всего компания установила системы дегазации уже на 14 полигонах в разных регионах страны. В соответствии с концепцией, изложенной директором «Клиар Энерджи» Андреем Гриненко, вторым этапом работы компании на Одесском полигоне ТБО станет строительство сортировочного и мусороперерабатывающего комплекса. Все ценное сырье, а именно бумага, пластик, дерево, металл и стекло, после сортировки будет перерабатываться в полезные продукты, имеющие рыночную стоимость. Всего эти фракции составляют до 60% от объема ТБО. Из оставшихся 40% отходов только 35% подлежат энергетической переработке.

Годовой объем ТБО, поступающий на Одесский полигон, в зависимости от сезона, составляет от 2,5 млн м3 до 3,0 млн м3. Соответственно энергетической переработке подлежит до 1 млн м3 или 157 000 тонн углеродосодержащих (биологически разлагаемых) отходов.


Производство водорода из отходов

При выборе наилучшей прогрессивной технологии получения водорода из отходов необходимо исходить из интегральной оценки рассматриваемых технологий с учётом экономического, экологического и социальных аспектов. Актуальность проблемы производства водорода из отходов и различных видов биомассы подтверждается наличием большого количества исследовательских работ и патентов на изобретение по этой тематике. Рост публикационной активности по странам в области производства водорода в 1997-2017 гг. (по данным Scopus) приведен на рис.1.



Рис.1. Проведенный нами анализ литературы и патентный поиск показывает, что наиболее часто используемым способом преобразования отходов в газы является двухстадийная газификация. На первом этапе производится пиролиз биомассы, а на втором – газификация продуктов, полученных на первом этапе. В рассмотренных двухстадийных технологиях [2,3,4,5,6,] конечным продуктом является синтез-газ, главными компонентами которого являются Н2 (водород) и СО (оксид углерода). В зависимости от состава отходов соотношение CO:Н2 в нем варьируется от 1:1 до 1:3.


Высокоэффективный способ производства водорода из отходов

Предлагаемый нами двух стадийный высокоэффективный способ получения водорода из отходов отличается: - сохранением и повторным использованием тепловой энергии, полученной на этапах преобразования отходов в синтез-газ, что позволяет существенно снизить себестоимость произведенного синтез-газа; - наличием блоков разделения синтез-газа на водород и оксид углерода; - наличием газового котла, работающего на оксиде углерода, и использованием этого тепла для получения перегретого пара, что позволяет отказаться от внешнего источника тепловой энергии. Таким образом, эффективность предлагаемой системы достигается за счет рекуперации экзотермического тепла процесса пиролиза и сжигания оксида углерода, полученного из отходов. При разработке системы производства чистого водорода из органической части ТБО нами были использованы разработки авторов этой статьи, приведенные в [7,8,9]. Высокоэффективная система для получения водорода из отходов низкотемпературным пиролизом и высокотемпературной газификацией в предлагаемом нами способе включает: оборудование для измельчения и сушки отходов, печь пиролиза, газификатор, низкотемпературный рекуператор тепла на материалах с фазовыми переходами, высокотемпературный рекуператор тепла, парогенератор, сепаратор кокса, систему охлаждения синтез-газа и его очистки, блок выделения водорода, газовый котел, системы хранения водорода, золы и углекислого газа. Выделение водорода из синтез-газа нами предлагается выполнять при помощи мембранных установок [10]. Этот метод разделения газообразных смесей позволяет с минимальными потерями выделять водород из газовых потоков. К основным преимуществам мембранных установок, позволяющих концентрировать водород можно отнести низкие расходы на техническое обслуживание, простое аппаратурное оформление и длительный срок службы мембран. На рис.2 представлена технологическая схема взаимосвязи элементов предлагаемой системы для получения водорода из отходов.

Рис.2.
Технология получения водорода из биологической части твердых бытовых отходов реализуется следующими этапами:
⦁ Измельчение и сушка отходов;
⦁ Производство низкотемпературного и высокотемпературного перегретого водяного пара;
⦁ Пиролиз сырья низкотемпературным водяным паром при температурах 5000С-8000С с образованием синтез-газа, золы и кокса;
⦁ Разделение золы и кокса;
⦁ Рекуперация тепла, выделяемого системой пиролиза;
⦁ Газификация синтез-газа и кокса высокотемпературным перегретым паром при 12000С -16000С;
⦁ Очистка и удаление вредных примесей из синтез-газа;
⦁ Мембранно-адсорбционное разделение синтез– газа с получением водорода и оксида углерода;
⦁ Производство тепловой энергии путем сжигания в газовом котле оксидауглерода.
⦁ Хранение углекислого газа.
⦁ Хранение водорода.

По предлагаемой нами технологии из 5 кг биологически разлагаемых отходов можно получить 1 кг синтез газа и, после разделения, не менее 0,5 кг водорода. Соответственно из 157000 тонн биологически разлагаемых отходов будет получено 15700 тонн водорода. При минимальной продажной цене водорода 4 долл/кг годовой доход от продажи 15700 тонн составит 62,8 миллиона долларов.


Аккумулирование и хранение водорода

В большом количестве публикаций рассматриваются технологии хранения водорода [16,18]. Важнейшей характеристикой, определяющей эффективность хранения водорода, является его объемная и гравиметрическая плотность. С этой точки зрения, а также учитывая требования безопасности, наиболее предпочтительным является способ хранения и транспортировки водорода в связанном состоянии [17]. Это либо хранение в химически связанном виде (гидриды), либо хранение с использованием управляемых процессов сорбции –десорбции водорода некоторыми интерметаллидными соединениями [19]. Перспективность такого способа определяется следующими особенностями:
⦁ накоплением водорода в составе гидридов, используемых как промежуточный продукт при транспортировке и хранении [21];
⦁ генерацией водорода непосредственно в месте его потребления;
⦁ использованием принципа аккумулятора с возможностью многократной зарядки и разрядки без замены сорбентов;
⦁ возможность практически неограниченного во времени бездренажного хранения водорода;
⦁ относительно низкими давлением и температурой в процессе эксплуатации.

Гидриды обеспечивают высокую объемную плотность накопления: 100-150 г/л. Для примера, контейнеры фирмы Pragma Industries при общем весе 350 г аккумулируют 20 л водорода. Такое компактное, эффективное и безопасное хранение водорода особенно перспективно для систем, использующих топливные элементы.


Повышение энергоэффективности производства электрической энергии, генерируемой топливными водородными элементами

Поступающий в топливный элемент водород (метан) и кислород преобразуется в электроэнергию с выделением тепла. Из этой энергии до 60% преобразуется в электрическую энергию, остальные 40% выделяются с теплом. Применяемые в настоящей работе методы утилизации бросовой теплоты [8,9] были нами также использованы для построения системы утилизации этих 40% теплоты. Нами предлагается использовать это тепло для генерации дополнительной электроэнергии небольшими электростанциями, построенными на принципе органического цикла Ренкина (OЦР). Это дает возможность поднять КПД преобразования электростанций на водородных элементах до 76%. На сегодняшний день на международные рынки США и Европы уже введены электростанции на топливных элементах большой линейки по мощностям, до нескольких мегаватт в одном блоке. Практически эти системы являются частью будущих систем массового электроснабжения на экологически чистом топливе .На основе водородных топливных элементов стационарными энергетическими установками уже выработано более 300 млн киловатт-часов электроэнергии на более чем 80-ти станциях по всему миру [20]. Технологическая схема преобразования бросового низкопотенциального тепла, выделяемого топливными водородными элементами, представлена на рис.3.

Рис.3.
Схема взаимосвязи водородных топливных элементов с органическим циклом Ренкина Низко потенциальная тепловая энергия, выделяемая водородным элементом, накапливается в баке-аккумуляторе с фазовым переходом и далее преобразуется в электроэнергию, производимую с использованием органического цикла Ренкина (ОЦР). Цикл использует для создания пара органическую низкокипящую рабочую жидкость, в качестве которой может использоваться, например, пентан (‎C5H12), который после температуры +36˚С переходит в газообразное состояние. Примерами других органических низкокипящих жидкостей могут быть углеводороды (бутан, пропан), хладоны (R11, R12, R114, R123, R245+а), аммиак, толуол, дифенил, силиконовое масло и др.  Вначале низко потенциальное тепло от водородного элемента поступает в бак-аккумулятор, где нагревает рабочую жидкость, преобразуя ее в пар. Использование в баке материалов с фазовым переходом позволяет длительное время поддерживать одинаковую температуру, что создает предпосылки для устойчивой работы системы (Рис.4). Рабочая область цикла находится между точками D и F.



Рис.4.
График изменения температуры в баке накопителе с теплоаккумулирующим материалом.
Блоки OЦР обрабатывают бросовое тепло с низким и средним тепловым потенциалом в диапазоне температур от 40°C до 90°C. Далее пар органической жидкости поступает в паровую турбину, где совершает работу, при этом генератор, находящийся на одном валу с турбиной, вырабатывает электроэнергию. Таким образом, входящий тепловой поток от бака аккумулятора трансформируется ОЦР в электрическую энергию с КПД до 25-26% и также выделяется до 75% бросового тепла. Для повышения эффективности ОЦР нами предлагается отработанное после турбины бросовое тепло также использовать для предварительного подогрева органической рабочей жидкости. Для этого в цикл добавляется экономайзер (рекуператор) тепла. Пар после отбора теплоты охлаждающего контура генератора обратно поступает в испаритель, где дополнительно нагревает и испаряет рабочую жидкость. Это дает возможность аккумулировать дополнительно в баке тепловую энергию и, соответственно, увеличить КПД цикла Ренкина еще как минимум на 10% и довести его до 35%.





Высокоэффективная система производства чистого водорода из органической части ТБО.


⦁ Аннотация.
Система состоит из низкотемпературного пиролиза отходов, высокотемпературной газификации продуктов пиролиза, а также блока мембранного разделения синтез газа на чистый водород и угарный газ. Высокая эффективность предлагаемой нами системы достигается за счет рекуперации экзотермического тепла процесса и сжигания оксида углерода, полученного при разделении синтез газа. На Одесский полигон ТБО в год поступает в зависимости от сезона от 2.5 млн.м3 до 3.0 млн.м3. Соответственно энергетической переработке подлежит до 1.0 млн. м3 или 157 000 тонн углеродосодержащих (биологически разлагаемых) отходов. При минимальной продажной цене водорода 4$/кг годовой доход от продажи 15700 тонн составит 62.8 миллиона долларов.

⦁ Определение объема углеродосодержащих отходов на Одесском полигоне ТБО.
В соответствии с концепцией, изложенной директором «Клиар Энерджи» Андреем Гриненко вторым этапом работы компании на Одесском полигоне ТБО станет строительство сортировочного и мусороперерабатывающего комплекса. Все ценное сырье, а именно бумагу, пластик, дерево, металл и стекло, после сортировки будет перерабатываться в полезные продукты, имеющие рыночную стоимость. Всего эти фракции составляют до 60% от объема ТБО. Из оставшихся 40% отходов только 35% подлежат энергетической переработке.
Морфологический состав ТБО Одесского полигона, приведенный в Таб.1. взят из отчета Харьковского ООО «Украинского Научно-исследовательского института по разработке и внедрению коммунальных программ и проектов» 2018 г. «Об оказании услуг по определению морфологического состава ТБО, в жилой застройке г. Одесса».


Годовой объем ТБО поступающий на Одесский полигон, в зависимости от сезона, составляет от 2.5 млн.м3 до 3.0 млн.м3. Соответственно энергетической переработке подлежит до 1.0 млн. м3 или 157 000 тонн углеродосодержащих (биологически разлагаемых) отходов. В порядке реализации предложений, изложенных Вами в статье «Чому Україна має стимулювати розвиток водню» нами, предлагается перерабатывать этот объем отходов в водород.

⦁ Производство водорода из отходов.
При выборе наилучшей прогрессивной технологии получения водорода из отходов необходимо исходить из интегральной оценки рассматриваемых технологий с учётом экономического, экологического и социальных аспектов. Актуальность проблемы производства водорода из отходов и различных видов биомассы подтверждается наличием большого количества исследовательских работ и патентов на изобретение по этой тематике. Проведенный нами анализ литературы и патентный поиск показывает, что наиболее часто используемым способом преобразования отходов в газы является двух стадийная газификация. В таб.2. приведен перечень патентов по технологиям получения водорода из биомассы. На первом этапе производится торрификация биомассы, а на втором газификация продуктов, полученных на первом этапе.



В рассмотренных в таб.2 двух стадийных технологиях конечным продуктом является синтез-газ – главными компонентами которого являются Н2 (водород) и СО (оксид углерода). В зависимости состава отходов соотношение CO: Н2 в нем варьируется от 1:1 до 1:3.
⦁ Высокоэффективный способ производства водорода из отходов.
Предлагаемый нами двух стадийный высокоэффективный способ получения водорода из отходов отличается:
- сохранением и повторной рекуперацией тепловой энергии, полученной на этапах преобразования отходов в синтез газ, что позволяет существенно снизить себестоимость произведенного синтез газа;
- наличием блоков разделения синтез газа на водород и оксид углерода;
- наличием газового котла, работающего на оксиде углерода и использованием этого тепла для получения перегретого пара, что позволяет отказаться от внешнего источника тепловой энергии.
Таким образом эффективность предлагаемой системы достигается за счет рекуперации экзотермического тепла процесса и сжигания оксида углерода, полученного из отходов.
Высокоэффективная система для получения водорода из отходов низкотемпературным пиролизом и высокотемпературной газификацией в предлагаемом нами способе включает:
- оборудование для измельчения и сушки отходов, печь пиролиза, газификатор, низкотемпературный рекуператор тепла, высокотемпературный рекуператор тепла, парогенератор, сепаратор кокса, систему охлаждения синтез газа и его очистки, блок выделения водорода, газовый котел, системы хранения водорода золы и углекислого газа.
Выделение водорода из синтез-газа предлагается нами выполнять при помощи мембранных установок. Этот метод разделения газообразных смесей позволяет с минимальными потерями выделять водород из газовых потоков. К основным преимуществам мембранных установок, позволяющих концентрировать водород можно отнести низкие расходы на техническое обслуживание, простое аппаратурное оформление и длительный срок службы мембран. На рис.1. представлена технологическая схема взаимосвязи элементов предлагаемой системы получения водорода из отходов.




Где:
1. оборудование для сушки и измельчения отходов;
2. печь пиролиза;
3. газификатор;
4. теплообменное устройство для охлаждения синтез газа;
5. система очистки и удаления примесей из синтетического газа;
6. компресор для сжатия;
7. блок выделения водорода;
8. хранилище водорода;
9. низкотемпературный рекуператор тепла;
10. парогенератор;
11. высокотемпературный рекуператор тепла;
12. хранилище СО2
13. газовый котёл;
14. источник воды;
15. сепаратор кокса;
16. хранилище золы.
По предлагаемой нами технологии из 5кг. биологически разлагаемых отходов можно получить 1кг. синтез газа и после разделения не менее 0.5кг.водорода. Соответственно из 157000 тонн будет выработано 15700 тонн водорода. При минимальной продажной цене водорода 4$/кг годовой доход от продажи 15700тонн составит 62.8 миллиона долларов.

Базой для этой разработки послужили выполненные и внедренные ранее работы:
- по разработке эффективной технологии получения чистого водорода из отходов Патент Украины №141908 от 27.04.2020 г. «Способ производства водорода из отходов сельскохозяйственной деятельности»;
- по созданию систем накопления тепловой энергии с использованием аккумулирующих материалов с фазовыми переходами Патент Украины № 115816 от 25.04.2017г., «Аккумулятор тепла с фазовым переходом»;
- по утилизации тепла дымовых газов твердотопливных котлов отопления Патент Украины № 125300 от 10.05.2018г. «Экономайзер дымовых газов твердотопливных котлов».



Способ повышения энергоэффективности производства электрической энергии генерируемой топливными водородными элементами.

Европейский союз принял решение сделать Европу к 2050 году климатически нейтральным континентом. С этой целью сокращение вредных выбросов в атмосферу к 2030 году должно составлять 55%. Исследование консорциума «Газ для климата» [1] показало, что этого можно достичь только при полной декарбонизации энергетической системы ЕС. Решающую роль в достижении этой цели играет водородная энергетика. Одним из магистральных путей развития водородной энергетики является широкое использование водородных топливных элементов (ВТЭ). Во всем мире индустрия водородных топливных элементов продолжают укрепляться, уверенно продвигаясь от инвестиционных технологических проектов к полноценной коммерческой отрасли. Водородные топливные элементы перспективны как для построения распределенных энергетических сетей, так и организации автономного электропитания удаленных объектов. Топливом для топливных элементов может быть не только водород, но и метан что существенно влияет на КПД. В таб.1. приведены данные некоторых наиболее распространённых водородных топливных элементов[2].



Различные системы на основе ВТЭ для постоянного и резервного питания установлены уже в 19 странах мира. На 2018 год общее число систем на ВТЭ в мире насчитывало 1 127 560 установок. Прогноз общей выручки от продаж стационарных систем на ВТЭ в 2022 году составляет 40 млрд. дол. США. Поступающий в топливный элемент водород(метан) и кислород преобразуется в электроэнергию с выделением тепла. Из этой энергии до 60% преобразуется в электрическую энергию, остальные 40% выделяются с теплом. Единичные топливные элементы производят относительно небольшие электрические потенциалы, около 0,7 вольт. В силу этого для производства необходимого объема электроэнергии ВТЭ собираются в топливные водородные электростанции. У электростанции на топливных элементах, среди всех существующих типов электростанций на углеводородном топливе самые низкие выбросы: эмиссия NOx - меньше 0,5 ppm; CO2 на 50% меньше, чем в газовых электростанциях с обычными технологиями. Кроме того, электростанции на топливных элементах имеют ряд следующих преимуществ:

- Высокий электрический КПД;
- Низкие операционные расходы;
- Высокая надежность
- Воздушное охлаждение энергоблока на топливных ячейках;
- Стабильное напряжение;
- Комбинированное производство электроэнергии и тепла;
- Незначительные объемы монтажных и пусковых работ;
- Небольшие объемы сервисных работ;
- Удобство обслуживания.
На сегодняшний день существуют уже много производителей готовых комплексных систем на ВТЭ, которые хорошо зарекомендовали себя на мировом рынке. Можно указать на некоторые:
- Компания ReliOn занимается производством и поставкой комплексных систем на ВТЭ с 1995 года которые используются более чем в 30 странах.
- Датская компания Dantherm Power разрабатывает и поставляет системы на ВТЭ, в основе топливных ячеек компании Bollard Power System.
- Немецкая компания FutureE с центральным офисом в Штутгарте фокусирует свою деятельность на разработке и поставке инновационных, эффективных систем на водородных топливных элементах.
- Итальянская компания «ACTA» с 2004 года занимается поставкой электролизеров, а с 2012 году компания начала производить системы «ACTA POWER», в основе которых топливные элементы, работающие в комплекте с генератором водорода. 


Энергетическая утилизации бросового тепла.

В последние годы стремление к максимальному использованию бросового тепла различных процессов заметно повысилось. Наиболее простой вариант — это использовать бросовое тепло для систем центрального отопления жилых домов и районов. Но для этого нужно, чтобы такой потребитель находился в непосредственной близости к источнику тепла. Кроме того, температура сбросного тепла часто превышает ту, которая необходима для систем центрального отопления, следовательно, значительная часть энергии теряется. Также очень часто необходимость в отоплении ограничена. По этой причине разрабатываются небольшие электростанции, основанные на принципе органического цикла Ренкина (OЦР). Если отходящее тепло от топливного элемента утилизировать и также вырабатывать из него электроэнергию, то его эффективность может быть доведено до 76%. В силу этого в предлагаемом способе бросовая тепловая энергия в объеме до 40%, выделяемая топливными водородными элементами используется для дополнительной генерации еще 16% электроэнергии. Преобразование бросового тепла в электроэнергии позволяет размещать электростанции в любом необходимом месте и передавать эту энергию множествам потребителей по высоковольтным электрическим сетям. На основе водородных топливных элементов стационарными энергетическими установками уже выработано более 300 млн. киловатт-часов электроэнергии на более чем 80-ти станциях по всему миру[5]. На сегодняшний день на международные рынки США и Европы уже введены электростанции на топливных элементах большой линейки по мощностям, до нескольких мегаватт в одном блоке. Системы первичного электроснабжения на водородных топливных элементах занимают особое место в отрасли ВТЭ. Практически эти системы являются частью будущих систем массового электроснабжения на экологически чистом топливе. Уже сегодня эти системы позволяют успешно решать проблемы энергоснабжения в случаях, когда затруднен доступ к существующим электросетям, или в случаях отсутствия свободных мощностей для подключения новых потребителей. На мировом рынке первичного автономного энерго снабжения доминируют следующие компании:

- «FuelCell Energy» (РКТЭ/MCFC, 300 КВт);

- «Bloom Energy» (ТОТЭ/SOFC, 200 КВт);

- «ClearEdge Power» (PAFC, 400 КВт).

Технологическая схема преобразования бросового низко потенциального тепла, выделяемого топливными водородными элементами представлена на рис.1.



Низко потенциальная тепловая энергия, выделяемая водородным элементом, накапливается в баке аккумуляторе и далее преобразуется также в электроэнергию, производимую с использованием органического цикла Ренкина (ОЦР). Цикл использует для создания пара органическую низкокипящую рабочую жидкость (ОНРЖ), качестве которой может использоваться, например, жидкость пентан С5Н12, который после температуры +36 ˚С переходит в газообразное состояние. Примерами других органических низкокипящих жидкостей могут быть углеводороды (бутан, пропан), хладоны (R11, R12, R114, R123, R245+а), аммиак, толуол, дифенил, силиконовое масло, и др.  В начале, низко потенциальное тепло от водородного элемента поступает в бак аккумулятор, где нагревает ОНРЖ, преобразуя ее в пар. Блоки OЦР обрабатывают бросовое тепло с низким и средним тепловым потенциалом в диапазоне температур от 40 до 90 °C. Далее пар органической жидкости поступает в паровую турбину, где совершает работу, при этом генератор, находящийся на одном валу с турбиной, вырабатывает электроэнергию.  Таким образом входящий тепловой поток от бака аккумулятора трансформируется ОЦР в электрическую энергию с КПД до 25-26% и также выделяется до 75% бросового тепла. Для повышения эффективности ОЦР нами предлагается отработанное после турбины бросовое тепло также использовать для предварительного подогрева органической рабочей жидкости. Для этого в цикл добавляется экономайзер (рекуператор) тепла. Пар после отбора теплоты охлаждающего контура генератора обратно поступает в испаритель, где дополнительно нагревает и испаряет ОНРЖ. Это дает возможность аккумулировать дополнительно в баке тепловую энергию и соответственно увеличить КПД цикла еще как минимум на 10% и довести его до 35%. Сегодня существуют две технологии рекуперации отобранного после генератора тепла. Одна технология предусматривает использование для этой цели промежуточного теплоносителя (например, воды), вторая технология прямого рекуперирования - без промежуточного теплоносителя. Коэффициент полезного действия систем регенерации тепла отходящих после генератора газов с использованием промежуточного теплоносителя естественно ниже, чем при прямом рекуперировании тепла. С другой стороны, при прямом нагревании ОНРЖ может нагреться отходящими газами до более высоких температур, что может привести к ее возгоранию либо деградации.

Сегодня известен ряд фирм, которые занимаются исследованием и серийным выпуском установок, работающих по OЦР. К ним можно отнести итальянскую Turboden srl, американскую Ormat Technologies Inc, немецкие ADORATEC GmbH, GMK GmbH, Российскую компанию «БПЦ Инжиниринг» - дистрибьютор компании Capstone Turbine Corporation(США).

Компании Capstone Turbine Corporation производит готовые блоки ОЦР-турбины единичной мощностью 50 и 125кВт (WHG50, WHG125) для автономных систем генерации электроэнергии. На рис.2 представлен общий вид ОЦР-турбины Capstone[3].




Целью, предлагаемой нами технологии, было разработка эффективного и надежного способа аккумуляции бросовой тепловой энергии на всех этапах ее преобразования в электрическую энергию. В предлагаемом нами способе утилизация низко потенциального тепла осуществляется два раза:

-первый раз за счет аккумуляции в баке 40% от всей внешней энергии, поступающей в водородные топливные элементы, что позволяет повысить эффективность выработки электроэнергии ОЦР на 6%.
-второй раз за счет рекуперации тепла после турбины/генератора, что позволяет повысить эффективность выработки электроэнергии ОЦР еще на 10%. Всего предлагаемым способом можно довести коэффициент использования первичной энргии, поступающего в водородный элемент до 76%. Капитальные вложения в 1 кВт установленной мощности энергетической установки с ОЦР составляют порядка 1-2,5 тыс. долл. США
Ключевым элементом таких систем преобразования низко потенциального тепла топливных водородных элементов в электрическую энергию является бак накопитель тепловой энергии на основе теплоаккумулирующего материала с фазовыми переходами. Он, во-первых, собственно и аккумулирует тепловую энергию, а во-вторых за счет теплоаккумулирующего материала с фазовым переходом удерживает постоянную температуру носителя длительное время (Рис.3), что и позволяет турбине ОРС цикла работать устойчиво. Рабочая область цикла находится между точками D и F.

Рис.3. График изменения температуры баке накопителе с теплоаккумулирующим материалом.



Предлагаемое нами технология относится к области теплотехники и может быть использовано в системах теплообмена, предназначенных для восстановления и использования отработанного бросового тепла от различных источников. Она основана на использовании патентов авторов и результатах их внедрения:
- UA 115816 от 25.04.2017г. «Акумулятор тепла с фазовими переходами»;
- UA 125300 от 10.05.2018г. «Экономайзер дымовых газов твердотопливных котлов».
- в 3 квартале 2019 года нами была введена в эксплуатацию в детском садике села Кагарлык, Беляевского района, Одесской области «Инновационная энергосберегающая система отопления и кондиционирования».
Центральным элементом этой системы является бак накопитель на фазовом переходе.
- разработанная нами конструкция экономайзера дымовых газов была внедрена при производстве твердотопливных котлов на предприятии ООО «Завод Металлист-Шабо».



Общий способ рекуперации и использования бросового тепла топливных элементов включает в себя нагрев воды в резервуаре для горячей воды посредством теплообменника для рекуперации тепла и использования нагретой воды для систем отопления.

Система на топливных элементах содержит блок 21 топливных элементов, вмещающий в себя топливный элемент 7, рекуперационный теплообменник 4 и блок 22 хранения горячей воды, вмещающий в себя резервуар 1 для хранения горячей воды.