Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) в тригенерационных установках

Использование ТОТЭ в качестве электрогенератора повышает чистый электрический КПД тригенерационной системы, основанной на газификации биомассы, до 36,5%, а КПД всей установки - до 42,2%

Ожидается, что к 2030 году общие мировые энергетические затраты на охлаждение будут примерно на том же уровне, что и на отопление. По этой причине ведется поиск решений, сочетающих в себе производство холода, тепла и электроэнергии из одного энергетического источника. Эти устройства известны как тригенерационные или комбинированные установки охлаждения, нагрева и производства электроэнергии.

По сравнению с раздельными энергетическими системами тригенерационные установки отличаются в первую очередь более высокой общей эффективностью, меньшим расходом топлива и уровнем выбросов парниковых газов. Тригенерационная система обычно состоит из электрогенератора, систем рекуперации тепла, производства холода, контроля и управления.

Наиболее распространенными электрогенераторами, которые используются в тригенерационных системах, являются газовые или паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания или внешнего (двигатель Стирлинга) и высокотемпературные топливные элементы, такие как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ).

Газовые микротурбины (МТГ) считаются одним из лучших вариантов для применения в тригенерационных установках. Исследователи изучили применение МТГ в сочетании с органическим циклом Ренкина (ОЦР) для комбинированного производства тепла и электроэнергии при газификации биомассы. Это решение взяли в качестве основы для разработки тригенерационной системы, которая включает в себя адсорбционный охладитель NH₃-H₂O. Общий КПД такой тригенерационной системы составил 42-47%, а чистый электрический КПД при использовании ОЦР - всего 20-22%.

Использование ТОТЭ в качестве электрогенератора повышает чистый электрический КПД тригенерационной системы, основанной на газификации биомассы, до 36,5%, а КПД всей установки - до 42,2%. ТОТЭ представляет собой высокотемпературный топливный элемент, который обычно работает при температуре 600-1000⁰C и преобразует химическую энергию топлива, такое как окись углерода, метан или другие углеводороды, или водород в электрическую энергию.

Основными преимуществами ТОТЭ по сравнению с другими электрогенераторами являются его высокий электрический КПД (50–60%) и высокая температура отработанных газов, которые можно в дальнейшем использовать для обогрева и/или охлаждения, когда горячие газы пропускаются через абсорбционную холодильную машину (АБХМ).

Несмотря на все преимущества, тригенерационные установки до сих пор не получили должной оценки. Были проведены исследования термодинамических характеристик тригенерационной установки с применением ТОТЭ, работающего на метане, в сочетании и устройствами, в которых используется органический цикл Ренкина для охлаждения, нагрева и производства электроэнергии. Было продемонстрировано, что в тригенерационной установке предельная эффективность увеличивается на 3-25% по сравнению с автономной системой, мощность которой изменяется циклически.

Исследователи представили тригенерационную установку на основе ТОТЭ, работающего на природном газе, и абсорбционного охладителя LiBr- H₂O. Установка смогла показать общую эффективность преобразования энергии не менее 84%. Далее была предложена тригенерационная установка с ТОТЭ на коксовом газе, который содержит большое количество водорода.

ТОТЭ работал при давлении 6–13 бар в сочетании с газовой турбиной. Дымовой газ на выходе из парогенератора-утилизатора в паровом цикле Ренкина использовался для централизованного теплоснабжения. Скрытая теплота отработанного пара из паровой турбины использовалась для охлаждения в одноступенчатой абсорбционной машине LiBr- H₂O. ТОТЭ показал электрический КПД более 60%. Общий электрический КПД тригенерационной установки и общий КПД системы составили около 70% и 90% соответственно.

Далее исследователи предложили систему из ТОТЭ на водороде и аммиаке. Устройство предполагается использовать в грузовиках для охлаждения пищевых продуктов (хранение при транспортировке) и подачи электроэнергии на вспомогательные устройства грузовика. Избыток электроэнергии должен заряжать аккумулятор машины. ТОТЭ соединены газомасляным теплообменником, в котором масло нагревается до температуры, необходимой для работы десорбера. Исследование показало, что ТОТЭ с выходной мощностью менее 10 кВт достаточно, чтобы охладить малые (0,7 тонны), средние (12 тонн) и большие (40 тонн) грузовики с учетом максимальной температуры внутри холодильной камеры от -20⁰C.

Цитирование: Чистая энергия, том 4, выпуск 4, декабрь 2020 г., страницы 328–348, https://doi.org/10.1093/ce/zkaa019