Комплексная безопасность 2011
Комплексное использование вторичных ресурсов
Экология большого города
10_Чистая вода
Разработка и создание опытно-промышленного производства энергетических установок на топливных элементах для автономной резервной и аварийной энергетики
User Rating: / 6
PoorBest 

Финансирование

Гос. контракт № 02.526.11.6006 от 10.08.2007 г. с Роснаукой РФ. Шифр «2007-6-2.6-10-03-002»

НИОКР 2007—2009 г.г., бюджетное финансирование, привлечение внебюджетных средств.

Краткое описание

Целью выполнения работ является создание и постановка на опытно-промышленную эксплуатацию образцов энергоустановок с твёрдополимерными топливными элементами (ЭУ с ТПТЭ), в диапазоне мощностей от 5 до 100 кВт для стационарного применения, создание производственной базы, обеспечивающей производство и испытания опытно-промышленных партий (до 10 штук в год) образцов энергоустановок на топливных элементах.

В ходе выполнения НИОКР разработан, изготовлен, испытан и сдан Государственной комиссии опытный образец энергоустановки на твёрдополимерных топливных элементах (электротеплогенератор ЭТГ-10) электрической мощностью до 10 кВт и тепловой мощностью до 17 кВт, работающий на природном газе и воздухе, создана опытно-производственная база для производства ЭУ с ТПТЭ мелкими партиями.

ЭТГ-10 предназначен для стационарного децентрализованного снабжения электроэнергией и теплом широкого круга потребителей, а также автономного резервного и аварийного энергоснабжения объектов, требующих особо надёжного резервирования подачи электроэнергии при аварийных ситуациях в центральном электроснабжении.

Конструктивно-технологические решения ЭТГ-10 являются базовыми для реализации блочного принципа построения типоряда таких энергетических установок. Это позволит в короткие сроки создать типоряд энергетических установок в диапазоне мощностей до 100 кВт.

ЭТГ-10 имеет в своём составе:

  • 2 батареи топливных элементов с твёрдополимерным электролитом, работающие на очищенном синтезгазе и воздухе;
  • систему получения, хранения и подачи топлива, включающую топливный процессор;
  • систему подготовки и подачи воздуха;
  • систему термостатирования;
  • систему технологической воды;
  • систему взрывопожаропредупреждения;
  • систему преобразования и коммутации электроэнергии;
  • систему управления, контроля и защиты.

ЭТГ-10 имеет высокие показатели экологической безопасности и удовлетворяет техническим требованиям, приведённым в таблице 1.

Таблица 1. 

На основные технические решения и технологии, разработанные в рамках настоящего проекта, оформлены или находятся в стадии оформления охранные документы (патенты на изобретения, свидетельства на полезные модели и др.), удостоверяющие право ИС.

В настоящее время в мире проходят опытную эксплуатацию тысячи ЭУ с ТПТЭ различной мощности и назначения, имеющие близкие технические параметры, однако, ни в России, ни за рубежом они не производятся в промышленных объёмах и не продаются на рынке энергооборудования. Характеристики рабочих параметров ЭТГ-10 не хуже, а по отдельным позициям (например, рабочее давление в БТЭ) превосходят, заявленные характеристики зарубежных образцов. В сложившейся ситуации преимущество получает тот разработчик ЭУ с ТПТЭ, который первым выпустит на рынок промышленные партии товара.

Работы по созданию опытного образца ЭТГ-10 велись с 2007 по 2009 год.

В 2007 году были созданы макеты основных узлов и агрегатов для изучения рабочих процессов и подтверждения расчётных решений.

Фото 1. Проведена оценка  неравномерности распределения расхода воздуха в каналах катодного пространства  ТПТЭ на макете ТЭ
Фото 1. Проведена оценка неравномерности распределения расхода воздуха в каналах катодного пространства ТПТЭ на макете ТЭ
Фото 2. Изучены процессы в анодном пространство ТЭ
Фото 2. Изучены процессы в анодном пространство ТЭ
Фото 3. На макете ТЭ сымитированы  процессы во внутренней полости биполярной холодильной камеры (БХК)
Фото 3. На макете ТЭ сымитированы процессы во внутренней полости биполярной холодильной камеры (БХК)
Фото 4. Создан макет, имитирующий  работу системы автоматизированного управления и контроля (САУ и К) энергоустановки
Фото 4. Создан макет, имитирующий работу системы автоматизированного управления и контроля (САУ и К) энергоустановки
Фото 5. Разработан и испытан  макета полномасштабного топливного элемента
Фото 5. Разработан и испытан макета полномасштабного топливного элемента
Фото 6. Разработан  макет критического узла топливного процессора
Фото 6. Разработан макет критического узла топливного процессора

В 2007—2009 году проводились работы по созданию производственной базы опытно-промышленного производства ЭУ с ТПТЭ с использованием самых современных станков и оборудования. Работы завершены в 2009 году. Фото 7, 8.

Фото 7
Фото 7
Фото 8
Фото 8

Созданы новые стенды для испытания отдельного оборудования и энергоустановки в целом.

Фото 9. Стенд  для испытаний и отработки батарей топливных элементов
Фото 9. Стенд для испытаний и отработки батарей топливных элементов

Разработана технология производства топливных элементов.

Фото 10.  Пластины биполярной холодильной камеры с газовыми каналами
Фото 10. Пластины биполярной холодильной камеры с газовыми каналами
Фото 11.  Мембранно-электродный блок в рамке
Фото 11. Мембранно-электродный блок в рамке
Фото 12.  Топливный элемент в сборе перед установкой в батарею ТЭ
Фото 12. Топливный элемент в сборе перед установкой в батарею ТЭ

Разработана и изготовлена батарея с ТПТЭ, работающая на очищенном синтезгазе и воздухе с давлением реагентов, близким к атмосферному, электрической мощностью более 7 кВт. Изготовлена опытная партия батарей в количестве 12 шт.

Фото 13.  Батарея топливных элементов электрической мощностью более 7 кВт
Фото 13. Батарея топливных элементов электрической мощностью более 7 кВт
Фото 14. Опытная партия  батарей ТЭ электрической мощностью более  7 кВт
Фото 14. Опытная партия батарей ТЭ электрической мощностью более 7 кВт

Проведены испытания батарей топливных элементов.

Click to see real size

Разработан и изготовлен конвертор природного газа, проведены его сборка и всесторонние испытания.

Фото 16.  Изготовление конвертора природного газа для топливного процессора
Фото 16. Изготовление конвертора природного газа для топливного процессора
Фото 17.  Испытания конвертора природного газа на стенде
Фото 17. Испытания конвертора природного газа на стенде

Проведены работы по изготовлению оборудования и сборке ЭТГ-10.

Фото 18.  Монтаж топливного процессора
Фото 18. Монтаж топливного процессора
Фото 19.  Подготовка к испытаниям топливного процессора
Фото 19. Подготовка к испытаниям топливного процессора
Фото 20.  Сборка энергетического модуля энергоустановки
Фото 20. Сборка энергетического модуля энергоустановки
Фото 21.  Энергетический модуль в сборе. Идет подготовка к запуску энергоустановки
Фото 21. Энергетический модуль в сборе. Идет подготовка к запуску энергоустановки
Фото  22. Подготовка модуля системы преобразования  и коммутации электроэнергии к работе в составе энергоустановки
Фото 22. Подготовка модуля системы преобразования и коммутации электроэнергии к работе в составе энергоустановки

Проведены предварительные и Государственные испытания ЭТГ-10.

Фото 23.  Энергоустановка подготовлена к осмотру и проведению Государственных испытаний
Фото 23. Энергоустановка подготовлена к осмотру и проведению Государственных испытаний
Фото 24.  Проведение Государственных испытаний ЭТГ-10
Фото 24. Проведение Государственных испытаний ЭТГ-10

Конкурентные преимущества

В настоящее время на рынке энергетического оборудования нет серийной продукции ЭУ с ТЭ. Рынок занят генераторными установками машинного типа с различными механическими приводами (ДГУ, ГПУ, ГТУ). ЭУ с ТЭ предназначены, в первую очередь, для их замены. Сравнительный анализ показал преимущества ЭУ с ТЭ по сравнению с существующими энергоустановками машинного типа по эффективности и потребительским качествам:

  • значительно меньшие выбросы вредных веществ в окружающую среду (см. таблицу 2);
  • значительно меньшие показатели уровня шума и вибрации;
  • эффективное использование топлива и высокий КПД;
  • низкие затраты на эксплуатацию (не требуется замены масла, присутствия оператора, проведения частых регламентных работ).

Таблица 2.

  СО мг/м3 NOx мг/м3 HC мг/м3
Предельно допустимые концентрации в воздухе вредных веществ по Европейским стандартам ПДК 850 500 150
Эмиссия вредных веществ опытного образца ЭУ с ТЭ 6,7 2,7 7,6

Научная значимость

В результате выполнения инновационной разработки, которая является, по сути, 1 этапом бизнес-проекта организации промышленного производства ЭУ с ТПТЭ, впервые в России разработан и создан опытный образец ЭУ с ТПТЭ электрической мощностью до 10 кВт (ЭТГ-10), начата его опытно-промышленная эксплуатация, создана инфраструктура опытно-промышленного производства энергоустановок. На втором этапе бизнес-проекта планируется внедрение опытно-промышленных импортозамещающих технологий производства отечественных материалов и комплектующих для ЭУ с ТПТЭ на основе новых рецептур, созданных при реализации настоящего проекта, в том числе: технологии изготовления перфторированных сульфокатионитных мембран, технологии изготовления углеграфитовых газодиффузионных подложек для топливных элементов с полимерным электролитом, технологии изготовления электродных материалов с наноразмерной структурой, технологии изготовления мембранно-электродных блоков применительно к условиям опытного производства энергоустановок с ТПТЭ. Проведены мероприятия по защите интеллектуальной собственности.

Примеры практического применения

Путь к преодолению энергетического кризиса специалисты видят в развитии малой энергетики. Проблема будет стоять не столь остро, если часть инфраструктуры районов и отдельные предприятия оснастить энергоустановками мощностью от 1 до 100 кВт и малыми электростанциями мощностью от 100 до 5000 кВт. Децентрализованные формы обеспечения энергией посёлков и добывающих компаний — вполне реальная перспектива в условиях назревшего энергетического кризиса. Помимо всего прочего, автономная энергетика может быть гарантом защиты от перебоев в централизованной электросети, особенно в момент пиковых нагрузок. Кроме того, целый ряд областей нашей страны просто не имеет альтернативы малой энергетике. Около 60 % территории России, особенно в северных регионах, не подключены к централизованной энергетической системе. Предлагаемая к производству продукция, энергоустановки с ТПТЭ различной мощности, предназначена для использования в энергосистемах распределённой генерации (РГ) и призвана решить вышеозначенные проблемы.

Диаграмма 1. Динамика изменения доли потребления  продукции различными покупателями ЭУ с ТЭ в объёме произведённой продукции  (100 %)
Диаграмма 1. Динамика изменения доли потребления продукции различными покупателями ЭУ с ТЭ в объёме произведённой продукции (100 %)
Диаграмма 2. Прогнозируемый объём сбыта продукции  по категориям покупателей в 2020 году
Диаграмма 2. Прогнозируемый объём сбыта продукции по категориям покупателей в 2020 году

География рынка сбыта

Как показывает анализ, основные разработки в области водородной энергетики сосредоточены в трёх регионах планеты — Северная Америка (США, Канада), Западная Европа (Германия, Италия, Великобритания и др.), Юго-Восточная Азия (Япония, Южная Корея, Китай). При этом, если Япония практически целиком сосредоточила свои усилия на разработке электротеплогенераторов (ЭТГ) для бытового применения, так называемые Homе Fuel Cells, то в Европе и, особенно, в США практически одинаковое внимание уделяют разработкам резервных энергоустановок (РЭУ) и электротеплогенераторов (ЭТГ). Сейчас в мире эксплуатируются тысячи опытных ЭУ с ТПТЭ, мощностью от 0,01 до 500 кВт, промышленного производства нет ни в одной стране.

ЭТГ-10 и созданные на его базе энергоустановки с ТПТЭ планируются для использования, в первую очередь, в России и СНГ, а также странах, проводящих независимый курс развития, таких как Куба, Венесуэла, Боливия, страны ближневосточного региона, Индия и пр.

Объём рынка сбыта

В период промышленного производства ЭУ с ТЭ в России прогнозируемый потенциальный объём рынка РГ по сектору дефицита генерирующих мощностей составит в 2015 послекризисном году около 160 ГВт, что на несколько порядков превышает возможности планируемого производства ЭУ с ТЭ. При условии устойчивого спроса на долю ЭУ с ТЭ может приходиться столько, сколько сможет освоить производство в промышленном выпуске, т. е. можно говорить о практически неограниченном рынке сбыта. Технико-экономическая эффективность проекта представлена в таблице 3.

Таблица 3

№ п.п. Характеристика технико-экономической эффективности перехода на выпуск новой продукции Годы
1 Срок реализации результатов проекта (год) 2012 2015
2 Удельные инвестиционные затраты на единицу технологической годовой мощности выпуска продукции 1,6 0,05
3 Удельные текущие затраты на единицу технологической годовой мощности выпуска продукции по трудоёмкости 1,06 0,25
4 Удельные текущие затраты на единицу технологической годовой мощности выпуска продукции по материалоёмкости 0,23 0,04
5 Удельные текущие затраты на единицу технологической годовой мощности выпуска продукции по энергоёмкости 0,03 0,007
6 Годовая мощность производства (млн. руб.) 75 1250
7 Цена продукции (тыс. руб./кВт) 300 250
8 Рентабельность продукции, % 0 28,6
9 Создание новых рабочих мест (количество) 150 300

Разработчик

Central Research Institute of Marine Electrical Techniques and Technology, FSUE (FSUE CNII SET)