автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Получение водорода для нужд судовых энергетических установок с электрохимическими генераторами

чУ"

V . '

л, санкт-петербургский государственный морской технический университет

дядик

Виталий Александрович

УДК 621.039.533.6 На правах рукописи

ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА ДЛЯ НУЖД СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМИ ГЕНЕРАТОРАМИ

Специальность 05.08.05 — Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена на кафедре энергетики Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Н. П. ШАМАНОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

ста[рший научный сотрудник ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова

Р. А. ИВАНОВ;

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник КВ Подводной техники

В. П. .ТРОШИН

Ведущее предприятие — ОАО Специальное конструкторское бюро ^котлостроения.

,—

.Защита состоится "7 » 1998 г.

в 14 часов в ауд, гмш заседании специализированного совета Д 053.23.02 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете.

Адрес:

190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3,. СПбГМТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Автореферат разослан « 28 » ОН-ГЯ^рЯ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного/совета," доктор технических наук, професс9

А. Н. ДЯДИК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Как судовая, так и стационарная энергетика в настоящее время базируется главным образом ка преобразователях энергии органического и ядерного топлива. Данные способы преобразования энергии связаны с использованием теплоты для получения электроэнергии и характеризуются относительно низким КПД. В ближайшем будущем возникнет необходимость уменьшения роли органического топлива в общем балансе энергетики. Это послужит основанием для интенсивного развития водородной энергетики как на транспорте, так и ъ стационарных условиях. Преобразователем химической энергии топлива и окислителя в подобных установках может стать топливный элемент - основной компонент электрохимического генератора. Процесс преобразования энергии в топливном элементе протекает без фазы перехода теплоты в работу, что позволяет существенно повысить КПД. У лучших топливных элементов КПД достигает 70 - 75 % и не зависит от уровня отбираемой мощности. Также для топливных элементов характерен очечь низкий удельный расход реагентов, составляющий 0,4 - 0,5 кг/кВт, что в 4 - 3 раз меньше, чем у тепловых двигателей открытого цикла. Наиболее освоенными в технике к настоящему времени являются низкотемпературные водородно-кислородные топливные элементы. Работа водородно-кнелородных топливных элементов не сопровождается опасными для окружающей среды вредными выбросами, поскольку продуктом электрохимической реакции в них является воде. Подводные лодки (ПЛ), оснащенные электрохимическими генераторами (ЭХГ), обладают рядом известных преимуществ по сравнению с дизель - электрическими, а их постройка обойдется в 2 - 3 раза дешевле атомных подводных лодок. Однако внедрению ЭХГ на флоте мешают не только экономические проблемы, но и проблемы технические, связанные прежде всего с наличием в комплексе "берег - корабль" систем заправки реагентами подобных подводных лодок.

Интересной представляется возможность получения водорода и кислорода из воды путем электролиза за счет затрат энергии ядерного горючего. Подобный способ может быть реализован в условиях отдаленного берегового заправочного комплекса (БЗК), когда на производство водорода и кислорода будет направляться так называемая "провальная" электроэнергия. Сочетание ядерного реактора и электролизера воды с твердым полимерным электролитом обеспечит высокую автономность БЗК, снизит экономические затраты на перевозку топлива, повысит уровень автоматизации и управляемости всего берегового комплекса. Совместная работа ядерного реактора и электролизера воды позволит в течение длительного времени сохранять базовый режим работы электростанции. При таком режиме работы комплекса поддерживается высокая тепловая экономичность, характерная для базовых агрегатов. В период уменьшения нагрузки на атомной электрической станции в работ)- подключается электролизер воды, вырабатывающий водород и кислород, которые накапливаются в системах хранения БЗК. Оборудование атомной станции и в первую очередь ядерный реактор будут эксплуатироваться б щадящем режиме, близком к номинальному. Использование подобной схемы получения реагентов в условиях БЗК требует оптимизации се характеристик и технико-экономического обоснования, поскольку методов получения и хранения водорода и кислорода в технике существует достаточно много

Разработке способа получения водорода путем электролиза воды с использованием ядерной энергии в условиях берегового заправочного комплекса посвящена настоящая диссертационная работа.

Целью работы является расчётно-экспериментальное обоснование метола получения водорода путём электролиза воды с использованием энергии ядерного реактора в условиях береговою заправочного комплекса

Задачи исследования

Поставленная цель достигается за счет.

- гехкико-эконо.мического сравнения систем генерации реагентов в условиях БЗК с выбором лучшего варианта;

- расчётного определения и оптимизации параметров электролизной ячейки с твердым полимерным электролитом«' ГПЭ),

- экспериментального обоснования расчетных методик на лабораторном макете электролизёра воды с ТПЭ,

- оценки экономической эффективности от совместного использования ядерного реактора и электролизёра воды,

- разработки принципиальной смемы берегового комплекса получения реагентов.

Науччгя новизна диссертации.

- разработаны математические модели для определения параметров электролизной ячейки с ТПЭ,

- получены по экспериментальным данным зависимости рабочих параметров электролизёра в функции температуры, давления ■> плотности тока,

- создан программный комплекс, позволяющий оптимизировать характеристики электролизёра,

- составлена математическая модель расчета массогабаритных и стоимостных показателей электролизной установки в составе БЗК, позволяющая определить необходимую мощность ядерного реактора.

Достоверность результатов раГоты.

Достоверность результатов теоретических исследований процессов в электролизной ячейке подтверждена испытанием электролизера воды с ТПЭ. Полученные в результате оптимизационных расчетов параметры электролизера водь; и ядерного реактора в составе БЗК близки по своим значениям к аналогам, описанным в литературе.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

Во-первых, применение разработанного алгоритма расчета параметров электролизной ячейки с ТПЗ позволяет оптимизировать массогабаритные и стоимостные характеристики электролизера в зависимости от плотносп и тоха на электролизной ячейке.

Во-вторых, проведенный количественный анализ способов получения сверхчистого водорода в условиях БЗК позволил сузить круг возможных вариантов этих схем с учетом обеспеченности сырьем и технико-экономических показателей.

В-третьих, проведенные на экспериментальной электролизной установке исследования позволили получить эмпирические зависимости для определения влияния температуры и давления на рабочие характеристики электролизёра.

Реализация работы. Разработанный программный комплекс включен в библиотеку программ кафедры Энергетики Санкт-Петербургского Государственного Морского технического университета Лабораторный макет электролизной установки на базе электролизера воды с ТПЭ используется в учебном процессе в курсах кафедры Энергетики. ,

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на конференции профессорско-преподавательского состава СПбГМТУ (1997 г.), на Региональной научно-технической конференции (с международным участием) в 1997 году, а также на заседаниях Научно-технического совета по направлению № 4 (!996-1998 г г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 5 статей, I тезисы доклада и 3 отчета по НИР.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Содержит 154 страницы основного текста. 10 таблиц, 50 рисунков, список литературы из 77 наименований и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введенчн отмечена роль водородного толлива в современной корабельной и стационарной энергетике. Обоснована актуальность проведения исследования метода получения водорода электролизом воды с использованием твердого полимерного электролита за счет энергии ядерного реактора в условиях отдаленного берегового заправочного комплекса.

В первой главе рассмотрены технологические способы получения водорода из углеводородных соединений, аммиака, метанола, а также способы получения водорода из воды. В последнем случае рассмотрено разложение воды гидрореагирующими металлами, термохимическое разложение воды и электролиз. Расчет необходимого потребного количества тепловой энергии показал, что углеводородное сырье и аммиак требуют для получения 1 кг водорода приблизительно одинакового количества теплоты, а процесс гидролиза воды при тех же условиях потребляет примерно на порядок больше тепловой энергии. Технико-экономическое сравнение способов получения водорода определялось по приведенным годовым затратам в соответствии с зависимостью

П

где К - стоимость комплекса; П - годовая продукция комплекса; Ь - расход сырья на единицу продукции; с - стоимость единицы сырья. Коэффициент 0,12 учитывает процент с капитала, отчисления на амортизацию, стоимость текущих ремонтов и оплату персонала.

Таблица 1.

Исходные данные для расчета удельной стоимости 1 нм3 водорода__

Показатель К, п, с, Ь, 3.

$ нм"'/год $/кг кг/нм3 $/нм" Н2

Сырье4

1 2 3 4 5 6

Дизельное топливо 3650000 И,2*10' 0,173 0,263 0,2

Бекзин 3530000 11,2*10' 0,336 0,273 0,27

Уголь 4860000 П,2*106 0,067 0,632 0,24

Метанол 3520000 11,2*10' 0,347 0,506 0,41

Расчеты удельной стоимости 1 нм"' водорода выполнялись с учетом стоимости основных фондов, энергоматериальных затрат и фонда оплаты труда персонала. Расчет получения водорода из каменного угля производился применительно к прогрессивному методу Хай-газа, разработанному Технологическим институтом США. Схема получения водорода из бензина аналогична схеме получения водорода из дизельного топлива с той лишь разницей, что бензин не проходит предварительную очистку от смол. В схеме получения водорода из метанола отсутствует стадия-сероочистки сырья.

При электролитическом способе получения водорода реальные затраты электроэнергии на производство 1 им' продукта существенно зависят от плотности электрического тока на электролизной ячейке, поэтому поиск оптимальной плотности тока является обязательным условием создгния экономически выгодного электролизера воды.

Для определения расчетных затрат на получение водорода электролитическим методом использовалась зависимость

Г Рк Зн + $/кВт*ч,

' Ли

где С,- стоимость электроэнергии, подводимой к электролизеру, 5/кВт*ч; - КПД электролизера; Р - постоянная часть ежегодных расходов, принимаемая в наших расчетах 0,24, включающая нормативный коэффициент эффективности капиталовложений 0,17, годовые амортизационные отчисления, расходы на текущие и капитальные ремонты и зарплату персонала; т - число часов работы электролизера в году; к)д - удельные капитальные затраты на электролизное оборудование, $ на 1кВт электрической мощности, подведенной к электролизеру.

Под КПД электролизера ту„ понимается отношение низшей теплоты сгорания Ihm" водорода к количеству электроэнергии, которую необходимо затратить для его получения при той же температуре. Таким образом имеем о"

«1^=——--

3600N„,

Удельный расход, электроэнергии на получение кВт*ч/нм\

N --„ Н; 0.419ß'

где Е, - напряжение на ячейке электролизера, В; ß = 0,95 * 0,98 • количество водорода в нм3, выделяемое 1000 Ампер - часов.

Ihm" водорода Nlu определится,

выход по току; 0,419 -

Таблица 2.

Приведенные расчетные затраты на получение электролитического

Е„В М 1,6 1,8 ' 2,0 2,2 .2,4 2,6 2,8

0,789 ' 0,687 0,61 0,55 0,5 0,458 0,42 0,39

NH,, кВт*ч/нм"' 3,4 3,9 4,39 4,88 5,36 5,85 6,34 6,83

3Н;, $/ кВт'ч 0,028 0,032 0,036 0,04 0,044 0,048 0,053 0,05*6

З;,., $/ нм3 0,095 0,125 0,158 0,195 0,235 0,281 0,336 0,382

Полученные значения расчетных затрат приведены в таблице 2. Результаты расчетов, представленные в табл.2, получены для С, = 20 центов/кВт*ч и удельных капитальных затрат к,л -- 75 $/кВт. Графически полученные результаты изображены на ¡же. 1.

Как следует из рассмотрения представленных на рис.1 графиков, с увеличением напряжения на электролизной ячейке в 2 раза удельные расчетные затраты возражают в 4 ,раза, а КПД электролизера уменьшается в 2 раза. Начиная с величины напряжения на ячейке 2 В удельные расчетные затраты становятся выше по сравненто с подобными ? величинами для дизельного топлива и бензина. Однако, даже при напряжении на ячейке

2,8 В эти затраты ниже чем в процессе получения водорода из метанола. В свою очередь напряжение на электролизной ячейке электролизера поды определяется/ видом его вольтгмперной характеристики (ВАХ) и величиной плотноегя тока.

Рис. 1. Изменение КПД электролизёра и удельных показателей в функции напряжения на ячейке (1- ; 2 - К„г: 3 - Т]«,.).

Во второй главе произведено определение параметров электролизера с твердым полимерным электролитйм. Первоначально рассмотрены термодинамические основы разложения воды в процессе электролиза. На основании проведенного анализа сделан вывод, что энергетические затраты на электролиз воды определяются вольтамперной характеристикой.

Сравнение вольтамперных характеристик, изображенных на рис.2 показывает, что применение полимерного электролита и активных электродов позволяет снизить энергозатраты на электролиз на 20 - 30 %.

Конструкция электролизеров включает в себя большое количество электрически последовательно соединенных электролизных ячеек, имеющих общие коллекторы подвода воды, отвода кислорода и водорода и образующих таким образом электролизную батарею Масса электролизной батареи пропорциональна рабочей поверхности . электролизных ячеек, т.е. М, 2 к„£. В свою очередь рабочая поверхность электролизной ячейки £ определяется величиной силы тока Ь и величиной плотности тока 1 А/см2:

мэ=кпгэ=кп10/1,

где к„ - величина относительной массы на единицу поверхности, кг/см2При проектировании электролизных батарей параметром, требующим оптимального Быбора, является плотность тока ¡, А/см2. С увеличением плотности тоха \ растет напряжение электролиза Е(1) и возрастают затраты энергии на разложение воды N0 = Е('1)1о, что приводит к увеличению эквивалентной массы энергозатрат Мц = т>,Е(|)10. Здесь ты -удельная масса электролизера в кг/кВт. Однако при этом гиперболически снижается величина рабочей поверхности и масса самой электролизной батареи. Оптимальная плотность тока в этом случае будет соответствовать минимуму общих затрат массы М, + М». Естественно, что величина оптимальной плотности тока будет зависеть от удельной массы электролизера >! эффективности его конструкции к„.

Таким образом, оптимальная плотность тока ¡о,, получается из условия М, = М*. или

Рис. 2. Вольтамперные характеристики различных электролизеров (1-е жидким щелочным электролитом, 2-е полимерным электролитом и активными пористыми электродами; 3 - высокотемпературный электролизёр с толщиной электролитной мембраны 1 мм; 4 - то же с толщиной мембраны 0,5 мм)

кт1„ тмЕ(010 т ---- " ' ° откуда

V

iE(i)=

10'

юЧ„

Шм

В последнем выражении величину напряжения на электролизной ячейке Е(0 определим исходя из характера вольтамперной характеристики электролизера без учета влияния температуры процесса разложения воды (см. рис. 2): Е(|)= Е0

где tgct - тангенс угла наклона вольтамперной характеристики электролизера. Таким образом, будем иметь:

tgu ' 2 Î

ES 4*10'k„

— +--г

I tga : mN

Результаты расчетов по этой формуле при Ео = 1,4В изобоажены в графическом виде на рис 3. Как следует из анализа представленных графиков, с уменьшением угла наклона вольтамперной характеристики электролизера улучшаются его габаритные показатели, поскольку оптимальные величины плотностей тока смещаются в область больших значений от ношения k „/m*.

Определяющим критерием при использовании электролизера в составе БЗК является экономическая целесообразность. С целью определения технико-экономических показателей электролизера был создан соответствующий алгоритм расчета, реализованный в среде программирования TURBO PASCAL 7.0 на IBM PC.

2>4

1ош>

А/см2 V 2,0 1,8 1,6 М 1Д 1,0 0,8 Об 0.4 02

0,0

/

/ с, 5 2

/

/

} г >-3

/

/ 4.

/

/

г 5

/

/

О 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,0® 0,01

ки/тн

Рис. 3. Зависимость оптимальной плотности тока в функции к „/ты при различных углах наклона вольтамперной характеристики (1 - а = 60°; 2 - а = 45°; 3 - с. = 40°; 4 - а = 35°; 5 - а = 30°).

Напряжение на электролизной ячейке определялось с учетом температуры процесса электролиза

Е(г)=1,48 + ^а-8,5*10"4Т Величина силы тока на электролизной ячейке определялась формулой:

1_ /2 0,000419*пя(3ц'

где С}н,- производительность электролизной установки по водороду, нм3 в час; п, -

число электролизных ячеек в электролизере; р = 0,95-а 0,98 ~ выход по току; ц * 0,98 -коэффициент, учитывающий колебания нагрузки и использование рабочего времени.

В расчетах принимается, что в составе электролизной установки работают два электролизера. Зная производительность электролизера и удельный расход электроэнергии на получение !нм' водорода, можно определить электрическую мощность электролизера

N =

Масса электролизера определялась произведением его электрической мощности на величину относительной массы тк в кг/кВт, т.е.

В качестве критерия огггимальности конструкции электролизера принимались ежегодные приведенные затраты 3*, в Угод, которые включав капитальные затраты хК и эксплуатационные затраты или издержки производства

Зм=хК + И,

где х ~ годовой нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, принимаемый в расчетах равным 0,12.

Капитальные затраты на электролизер оценивались в виде удвоенной стоимости электролизера, т.е. К = 2Цм. В свою очередь стоимость изготовления электролизера оценивается через относительную цену единицы поверхности электролизных ячеек , а именно

где См - цена единицы поверхности электролизных ячеек, принимаемая в расчетах 1000 $/м2.

Эксплуатационные затраты пропорциональны количеству электроэнергии, потребляемой электролизером в течение года с учетом его КПД, то есть:

и

Ли

где с, - стоимость единицы количества электричества, принимаемая в расчетах 0,02 $/(кВт*ч); тр - время работы электролизера за год, принимаемое в расчетах равным 8333 часам. В результате суммирования капитальных и эксплуатационных затрат получается выражение для целевой функции в виде:

с,М,лт. Зм =- +2хсмГ,п,.

Чм

Задача оптимизации характеристик электролизера решалась методами линейного программирования при ограничениях на величину переменной (плотности тока) 0,05 А/см2<¡<2 А/см2.

Результаты расчетов по разработанному алгоритму представлены в графическом виде на рис. 4, 5, изображающих зависимости приведенных годовых затрет в функции плотности тока на ячейке электролизера при различных углах наклона вольтамперной характеристики И1 26,5° и аг = 45°. Расчеты выполнялись для трех значений относительных масс электролизера Шк = 5; 10; 15 кг/кВт.

Как следует из рассмотрения графиков, с ростом тх приведенные годовые затраты увеличиваются, что объясняется возрастанием капитальных затрат на изготовление электролизера.

В зависимости от величины плотности тока на электролизной ячейке все три графика имеют минимум. Чем хуже конструктивно выполнен электролизер (больше величина ты), тем минимум выражен более отчетливо. При угле наклона польтампернок характеристики в 45" соответствующие величины приведенных годовых затрат на электролизер становятся больше, чем при угле наклона ВАХ в 26,5°. Кроме того, минимум приведенных годовых затрат становится более ярко выраженным. При угле наклона ВАХ в 45° минимум приведенных годовых затрат смещается в область меньших плотностей тока Эю подтверждает известное положение о необходимости создания элгктролнзеров по - возможности с более пологой ВАХ. Необходимо отметить, что зависимости приведенных годовых затрат в функции величины плотности тока на электролизной

ячейке имеют локально пологую форму в окрестности экстремальной точки. Это дает основание утверждать, что допустимы отклонения некоторых параметров от их оптимальных значений без существенного влияния на целевую функцию.

4000,0

1 I

§

§ Р

а ч 3500,0

§ й 3000,0 и

3 ¡Э

■ 1да = 0,5; тп= 15,0

■ ~ 0,5; тп= 10,0 = 0,5;тп= 5,0

1 I

*„ 2500,0 2000,0

" 1500,0

1000,0

0,1 03 0,5 0,7 0,9 1,1 13 14 1,7 1,9 Плотность тока, А/си2 ?ис. 4. Зависимость приведенных годовых затрат в функции плотности тока при угле наклона ВАХ <Х| = 26,5°.

4000,0

<и

2 а о ч 2 3500,0

ч й

о и и 3000,0

¡> ъ

¡9 2500,0

к 3

5 2000,0

§ &

Г) 1500,0

1000,0

0,1 03 0,5 0,7 0,9 1,1 13 1,7 1,9 Плотность тока, А/см2 Рис. 5. Зависимость приведенных годовых затрат в функции плотности тока при угле наклона ВАХ а; = 45°.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования, выполненные на лабораторном макете электролизной установки.

Схема электролизной установки изображена на рис.6. С помощью экспериментальной электролизной установки удалось решит;, ряд пракгических задач, связанных с электролизом зоды с ТПЭ. Одной из таких задач является изучение характера зависимостей выходных характеристик электролизера, т.е. расходов генерируемых электролизером водорода и кислорода, а также расхода электрической энергии на

получение 1м3 водорода (и, соответственно, 0,5 м' кислорода) при нормальных условиях от различных параметров электролизера.

коллекторный; 8 - водмерное стекло; 9 - датчик уровня; 10 - дренажный клапан; 11 -ионообменный фильтр; 12 - сепаратор; 13 - сигнализатор давления; 14 - манометр).

Для решения этой задачи была разработана методика проведения серии опытов с учетом методов планирования экслеркментоз. В ходе проведения основной серии опытов были получены экспериментальные данные, позволяющие оценить влияние изменений температуры в электролизных ячейках и давления в электролизере воды на остальные параметры электролизера, особенно на его выходные характеристики.

Для статистической обработки основных результатов экспериментов был использовач математический метод наименьших квадратов. Согласно этому методу были получены эмпирические зависимости среднего напряжения на электролизной ячейке, плотноста тока на электролизной ячейке, выхода водорода, генерируемого в электролизере, электрической мощности электролизера и расхода электрической энергии на получение 1м5 водорода при нормальных условиях от температуры и давления в ячейках электролизёра. Кроме того, были получены вольтамлерные характеристики электролизера воды с ТПЭ для различных значений температуры в электролизных ячейках. Результаты исследования зависимостей рабочих пграмауов электролизера от температуры в электролизных ячейках приводятся для нормального давления. Зависимость среднего напряжения на электролизной ячейке от температуры в ячейке, В:

UZ = 3,01* Ю"5 *t;„ -0,610*Int5J1 +4,16 , где t,., - температура в электролизной ячейке. °С.

Среднеквадратичное отклонение Оя,= 1,79*10"2 В.

Максимальное отклонение Л»«= 2,46*10"2 В.

Зависимость плотности тока на электролизной ячейке от температуры в ячейке, А/см2: . =__1__

« •> 441

- 9,09 * 10"5 * \{, + + 2,33 *10"2 *t,,

Среднеквадратичное отклонение 0^,= 4,39*10"' А/см2.

Максимальное отклонение -8.57* 10"3 А/см2.

Зависимость расхода водорода, генерируемого в электролизере, приведенного к нормальным условиям, от температуры в электролизной ячейке, л/мин:

ОнУ =__!__

-3,05* 10"5 ♦t^ + +8,46* 10~3 * tj, ^»

Среднеквадратичное отклонение ot1>= 1,94* 10"1 л/мин.

Максимальное отклонение Á^r -2,35 * 1О"2 л/мин.

Зависимость электрической мощности электролизера от температуры в электролизной ячейке, кВт:

S„ = ln(7,95*10"' + 0,612-2,19* 10"2 *t„) .

Среднеквадратичное отклонение стср~ 5,03 * 10"3 кПт.

Максимальное отклонение -7,48*10"' кВт.

Зависимости расхода электрической энерпш на получение 1м'' водорода при нормальных условиях от температуры в электролизной ячейке. кВт/м3:

N =_____!_ .

- 2,08 * 1С"6 * t;, + 5,78 * 10"2 * ln t,,

Среднеквадратичное отклонение оср= 7,51 *10"2 кВт/м3.

Максимальное отклонение Д™.ч= 9,82' 1СГ2 кВт/м3.

В процессе проведения экспериментальных исследований электролизной установки были получены вольтамперные характеристики электролизёра воды с ТПЭ при различных значениях температуры в электролизной ячейке: 30 °С, 60 °С и 90 °С.

Вольтамперная характеристика электролизера воды с ТПЭ при температуре в электролизной ячейке 30 °С имеет вид эмпирической зависимости: USJ,=ln(8,13*¡,,+4,24).

Среднеквадратичное отклонение ос Максимальное отклонение Дщ„= 4,11*10~2 В.

Вольтамлерная характеристика электролизера воды с ТПЭ при температуре в электролизной ячейке 60 °С:

изл =1п(-4,08*4 +4,10*е'"). Среднеквадратичное отклонение о,

„= 1,43* 10~2 В. Максимальное отклонение Атк= - 3,29*10~2 В.

Вольтамлерная характеристика электролизера .воды с ТПЭ при температуре в электролизной ячейке 90 °С:

и,л=(-2,3541,+2,00*е'-)0,5

Среднеквадратичное отклонение стер—

2,85* Ю"2 В. Максимальнее отклонение 4™= 3,98*10~2 В.

1,4

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Плотность тока, А/'сМ2

0,6

0,7

Рис. 7. Вольтамперныехарактеристики электролизера воды с ТПЭ (1 - температура в элек! ролизнои ячейхе 30 °С; 2 - температура в электролизной ячейке 60 °С; 3 -температура в электролизной ячейке 90 °С).

Графическое изображение вольтамперных характеристик электролизёра с ТПЭ для различных значений температуры в электролизной ячзйкг представлено на рис. 7. Изучение этих зависимостей для температур 30, 60 и 90 °С позволяет сделать вьшод о том, что повышение температуры благоприятно влияет на ьольтамперную характеристику электролизёра воды с ТПЭ, она смещается в область меньших напряжений и становится более пологой. Это позволяет утьерждать, что повышение температуры в ЭЯ электролизёра воды с ТПЭ способствует существенному улучшению его технико-экономических показателей.

В четвертой главе выполнен анализ принципиальной схемы берегового заправочного комплекса на основе ядерного энергоблока "Бета" и электролизера воды с ТПЭ. Исходя из современного уровня развития ядерной энергетики предпочтительнее использовать АЭС с водоохлаждаемыми реакторами, наиболее отработанными в условиях длительной эксплуатации. Выбор типа ядерного реактора должен производиться с учетом возрастающих требований к защите окружающей среды от негативного влияния возможных аварийных ситуаций. По нашему мнению в наибольшей мере этим требованиям отвечает ядерный парогенерирующий агрегат типа "Бета".

Рассмотрим некоторые технике - экономические аспекты совместной работы ядерного реактора и электролизера воды. Для совершения работы ДО разложения 1 моля воды требуется получить от ядерного реактора количество теплоты

где Дв - свободная энергия Гиббса; Т1„ - КПД цикла АЭУ; я» - электрический КПД электролизера.

Определим теперь КПД преобразования теплоты, выделяющейся в ядерном реакторе, в теплотворную способность водорода, получаемого за счет электроэнергии, вырабатываемой на АЭС. Часть теплоты выделится в электролизере вследствие необратимых потерь на перенапряжение, т.е.

Предположим, что реакция разложения воды в электролизере протекает в изобарно-изотермических условиях, что требует подвода теплоты С}, = ТДЭ. Тогда суммарные затраты теплоты на электролиз 1 моля воды составят

0=0, +0, -ЛС?=РЙН-(Р-1)ТДЯ где р = ч, - 1 + и(т\,г\„). Получим окончательную зависимость для определения КПД преобразования теплоты ядерного реактора в теплотворную способность водорода

ДН ч"

где Т. = ДН/Д5 = 286000/163 = 1755 К. С использованием этой зависимости были выполнены расчеты для 1>, = 0,67, которые показали, что с ростом КПД цикла АЭС растет и КПД преобразования теплоты ядерного реактора в теплотворную способность водорода. Увеличение температуры процесса электролиза воды также приводит к повышению эффективности преобразования теплоты, вырабатываемой ядерным реактором в теплотворную способность водорода.

При совместной работе АЭС и электролизера воды появляется возможность в течение длительного времени сохранять базовый режим работы электростанции. В этом случае поддерживается высокая тепловая экономичность, характерная для базовых агрегатов. В период уменьшения нагрузки на АЭС в работу подключается электролизер воды, происходит выработха реагентов и их накопление на базе. Оборудование АЭС и в первую очередь ядерный реактор можно эксплуатировать в щадящем режиме, близком к номинальной^.

С увеличением мощности N строящихся энергоблоков растут и капиталовложения К. В то же время капиталовложения в строительство аккумуляторов энергии, к числу которых относятся и электролизеры воды, К, возрастают с увеличением запасаемой в них электрическ&н энергии XV,. Эти зависимости аппроксимируются степенными функциями вида

К = ВЫС; К, = А\Уэ, где показатели степени С 5 1 и 5 5 1; В и А - коэффициенты пропорциональности. Допустим, что данная энергоустановка будет работать как в базовом, так и в пиковом режиме с пиковой мощностью Нп. Тогда капиталовложения в ее строительство составят Кп Использование в составе энергетической схемы аккумулятора энергии

позволяет уменьшить допустимый уровень мощнбсти энергоустановки до N и сократить капиталовложения до К, но при этом потребуются дополнительные капиталовложения К« на создание аккумулятора энергии (электролизера).

Система из АЭС и электрол(цера воды будет выгодна, если суммарные капиталовложения в ее строительство и эксплуатацию не превысят Кп, т.е. должно соблюдаться условие

кп>(к+к,).

Поскольку в суточном цикле, т.е. за вргмя т (сутик ) в течение которого совершается полный чикл накопления и расходования энергии АУЭ характерны отношения М/Мп =0,8 и \УЭ /(№)=0,06, то получается ограничение на капиталовложения в строительство АЭС и электролизера воды в виде Ка <0,25К.

Таким образом, капиталовложения в сооружение электролизёра не должны превышать 25% капиталовложений в сооружение базовой АЭС мошносгью N. Последняя зависимость позволяет определить ¡ютребную тепловую мощность ядерного реактора для базовой АЭС, работающей совместно с электролизером воды, который выполняет роль аккумулятора энергии.

Расчетные значения потребной мощности ядерного реактора в комбинации с электролизером воды производительностью 1344 нм'/час по водороду в функции плотности тока на ячейке представлены на рис. 8.

0 0,1 0 2 03 0,4 0,5 0,6 0,7 0.,В 0,9 1,0 ¡,А/см2 Рис. 8. Зависимость мощности ЯР от плотности тока на ячейке электролизёра.

Как следует из рассмотрения графика рисунка 8, кривая зависимости № = Я>) делит массив значений мощностей ядерного реактора в составе АЭС на две области. Выше

кривой К'р = лежит рабочая область системы ядерный реактор - электролизер (ЯР + Э), когда ЯР имеет запас мощности и при необходимости этот запас может быть иелользован на покрытие нужд потребителей помимо электролизера. Ниже этой кривой использование ЯР в сочетании с электролизером будет приводить к снижению отпускаемой электроэнергии потребителям при включении электролизера в рябоггу.

Пар второго контура

Питательная вода

Электроэнергия к потребителям

В теплофикационный контур

д

Турбо генератор & &

реактор типа "Бета"

Конденсатор

Система отвода нюкопотенциальной теплоты от электролизера

Из теплофикационного контура

1

Н

н,о

Электролизер воды с ТПЭ

Система хранения годореда

Система хранения кислорода

Дистиллят

Рис. 9. Схема берегового комплекса для получения реагентов с использованием теплоты ядерного реактора "Яета".

Выбор рабочей области системы ЯР + Э может быть сделан с учетом специфики расположения и потребностей берегового заправочного комплекса и населенного пункта. Кроме того, суммарные капитальные затраты на создание БЗК системы ЯР + Э будут зависеть от конструктивных особенностей электролизера и эффективности его работы. В свою очередь, конструктивнее особенности электролизера определяются величиной отношения к„ / т„ и углом наклона вольтамперной характеристики а. Для заданного значения отношения к„ / Шо определяется оптимальная величина плотности тока. С учетом величины оптимальной плотности тока составлена математическая модель расчета массогабаритных и стоимостных показателей электролизной установки в составе БЗК, позволяющая для заданного отношения кт / щ. определять оптимальную ВАХ электролизера и рассчтывать необходимую мощность ядерного реактора.

Продукты реакции электролиза воды (водород и кислород) следует хранить в хранилищах БЗК до момента передачи на с&ьект. По этой причине в принципиальной схеме БЗК необходимо иметь системы хранения реагентов: водорода и кислорода. Что касается хранения кислорода, то выбор необходимых систем хранения здесь достаточно мал, а именно рассмотрены только две системы хранения: баллонная и криогенная. Для водорода разработаны и широко используются различные системы хранения, однако в условиях БЗК рассмотрены только три системы, а именно баллонная, интерметаллидная и микробаллонная.

Схема получения реагентов с использованием ядерного реактора и электролизера может быть расширена добавлением контура теплофикации. Это особенно актуально для большинства районов нашей страны, где возможно использование БЗК. Применение в составе АЭС паровой турбины с регулируемыми отборами пара позволяет в зависимости от соотношения потребностей данного региона в тепловой и электрической энергии варьировать выработку этих видов энергии в достаточно широком диапазоне.

Дальнейшее повышение экономичности берегового комплекса для получения реагентов может быть достигнуто использованием контура отвода низкопотенциальной теплоты. Таким образом, схема берегового комплекса для получения реагентов с использованием теплоты ядерного реактора "Бета" в общем виде может выглядеть так, как это представлено на рис. 9. Ядерный реактор моноблочного, типа "Бета" вырабатывает перегретый пар необходимых параметров, который совершает механическую работу в турбогенераторной установке. Часть электроэнергии «дет на собственные нужды БЗК и поступает к потребителям (базовый населенный пункт), а другая часть электроэнергии идет на электролизер и служит для получения водорода и кислорода из воды. Получаемые в процессе электролиза воды реагенты направляются в соответствующие системы хранения, где находятся вплоть до востребования.

В заключении сформулированы выводы, вытекающие из исследований представленной работы, и изложены рекомендации по использованию полученных результатов.

В приложении представлены программные комплексы по расчету оптимальных характеристик электролитической ячейки с твердым полимерным электролитом

] ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Проведенный качественный и технико-экономический анализ различных способов получения водорода и кислорода в условиях берегового заправочного комплекса показал преимущества электролизного способа. 2. В результате расчетно-георетическсго анализа рабочих процессов в электролизной ячейке получена новая зависимость для определения оптимальной величины плотности тока на ячейке.

3. Создана программа расчета оптимальной конструкции электролизера соды с ТПЭ по приведенным годовым затратам, которая дала возможность определить минимум целевой функции в зависимости от величины плотности тока на ячейке.

4. Полученный минимум приведенных головых затрат имеет достаточно пологий характер в окрестностях экстремальной точки, что допускает отклонен«* некоторых параметров от их оптимальных значений.

5 С целью проверки и уточнения теоретических предпосылок при исследовании электролизера воды с ТПЭ была создана экспериментальная установка, включающая системы замеров расходов водорода и кислорода.

6. В исследованном диапазоне рабочих параметров наибольшее влияние на выход реагентов оказал процесс изменения температуры в электролизной ячейке.

7. Влияние давления в электролизной ячейке на выход водорода в исследованном диапазоне параметров оказалось достаточно слабым

8. Анализ схемы ieperoeoro заправочного комплекса показал целесообразность использования сочетания ядерного реактора и электролизера воды с ТПЭ и позволил определить область рабочих параметров ядерного реактора в зависимости от

' параметров электролизера.

9. Для создания наиболее экономичного берегового заправочного комплекса необходимо дополнить основную технологическую схему получения реагентов при сочетании ЯР -Э контуром утилизации ннзкопотенциальнои теплоты

10 Дальнейшее совершенствование схемы берегового заправочного комплекса должно осуществляться в области создания безопасных и экономически целесообразных систем хоанення и подачи чистого водорода

Перечень публикаций, в которых излагается основное содержание диссертации

1 Исследование и выбор рационального способа и технологии получения водорода для морских транспортных электроэнергетических установок в условиях бл>гжайших десятилетий Годовой технический отчет / Н.П. Шаманов. В А Дядик и др / Саыст -Петербург. СПбГМТУ. 1096.-39 с.

2 Дядик В А Перспективы применения электролизеров водь? с твердым полимерным электролитом в судовых Энергетических установках / ВИНИТИ. .V- 1865 - В97. 1997. -Не

3 Исследование и выбор рационального способа н технологии получения водорода для морских 1ранспорп:ыч элеггрознергеппеских установок в условиях ближайших десятилетий Технический отчет по этапу 2.2 / II П. Шаманов. В А. Дядик / Санкт -Петербург СПбГМТУ. IW 50 с

-1 Дядик В А Исследование работы электролизера в составе регенеративных СЭУ с ЭХГ Те?псы докладов на Региональной научно-технической конференции (с международным участием) 19 - 23 мая 1997 г СПб.. СПбГМТУ. 1997

5 Исследование и выбор рационального способа ч технологии получения водорода для морских транспортных электроэнергетических установок в условиях ближайших десятилетий Головэй технический отчет ' Н.П. Шаманов. В.А. Дядик / Санкт -Петербург. С'ПоГМТУ. 1907 82 с.

Ь Дялчк All. Дядик В А. Оценка массогаоаритных показателей судовой комбинированной установки с химическими источниками тока / ВИНИТИ. -V? 1864 -В"7. :<Н 7 (, с

7. Дядмк АН . Дядик В А Краткий оозор современных методов получения водорода / ВИНИТИ. Л» 1016 - В98. 1008 -Не

8. Дядик А Н.. Дядик В А Анализ современных систем хранения водорода и кислорода / ВИНИТИ. № 1014 - В98. 1998 - 10 с

И.Ц.СПбГМТУ,Зак.1202,Тир.100