Энергоэффективная технология производства электроэнергии с использованием водородного топлива

Предлагаемая технология предусматривает создание теплового двигателя с высоким электрическим КПД (более 60%) (Приложение 6) в виде конденсационной паровой турбины, работающей с высокими начальными параметрами (Т₀ = 1700 К, Р₀ = 10,0 МПа). Перегрев водяного пара до указанной температуры осуществляется с использованием водородного топлива после его генерации в традиционных паровых котлах с параметрами (Т₀ = 833 К и  Р₀ = 10,0 МПа). Фактически данная турбина, если сравнивать ее с парогазовой установкой, совмещает в себе газовую и парогазовую турбину в одном агрегате. Следует также иметь ввиду, что  охлаждение первых ступеней паром с теплофизической точки зрения более эффективно и поэтому проточная часть турбины будет находиться в менее напряженных условиях по сравнению с газовой. Электрический КПД предлагаемых установок при единичных мощностях более 6000 кВт должен превысить 60%. Важным условием разрабатываемой технологии является то, что для установок средней и большой мощности генерация водорода должна осуществляться с использованием паровой конверсии природного газа в водород. Эта технология широко используется в России, за рубежом и обеспечивает минимальную стоимость водорода. Кроме того, предлагаемая технология не требует аккумулирования водорода, что обеспечивает устранение проблемы хранения водорода и существенно повышает безопасность технологии.

В настоящее время значительная часть интеллектуальной собственности на технологии в виде объектов промышленной собственности принадлежит авторам проекта, а именно:

1. Геотермальный энергокомплекс для производства и аккумулирования водорода. Патент на полезную модель РФ № 45377 от 14.10.2004г. Федоров В.А., Мильман О.О.
2. Энергокомплекс для производства и аккумулирования водорода. Патент РФ на полезную модель №43551 от 07.10.2004г. Леонтьев А.И., Мильман О.О., Федоров В.А.
3. Энергокомплекс с комбинированным топливом. Патент РФ на полезную модель №30848 от 10.10.2002г. Леонтьев А.И., Федоров В.А., Мильман О.О.
4. Заявка о выдаче патента на РФ на изобретение рег.№2005107214 (вх.№008709) от 16.03.2005г. Электрогенерирующий комплекс с комбинированным топливом. Федоров В.А., Мильман О.О.

Последнее изобретение запатентовано в США.

• Первые два вышеуказанных патента позволяют использовать возобновляемые источники энергии для производства электроэнергии, накопления водорода и производства электроэнергии с его использованием.

На Мутновском и Паужетском геотермальных месторождениях, а также на Курильских островах, установлены и находятся в эксплуатации электрогенерирующие установки единичной мощностью от 500 до 25000 кВт. Эти станции работают внутри изолированных энергосистем и поэтому прием электроэнергии от геотермальных электростанций по техническим причинам является в ряде случаев ограниченным и соответственно переменным. Чтобы избежать переменных режимов работы скважин приходится частично пар из сепараторов направлять, минуя турбину, в конденсатор через дроссельные устройства. Это приводит к нерациональному использованию геотермальных ресурсов. С целью увеличить коэффициент их использования и вывести паротурбинную установку в базовый режим работы предлагается надстроить геотермальную электростанцию энергокомплексом с водородным топливом (рис. 4). Предлагаемая технология позволит обеспечить работу паротурбинной установки с постоянной мощностью, а дневные пики потребления покрывать за счет генерации электроэнергии, производимой при сжигании водородного топлива.

Рис. 4. Принципиальная схема  геотермальной станции с электрогенерирующим водородным комплексом

Сущность геотермального энергокомплекса для производства и аккумулирования водорода заключается в том, что энергокомплекс содержит установку для производства водорода на основе электролиза и его аккумулирования, а новым является то, что электролизер посредством электрического кабеля подключен к геотермальному электрогенерирующему модулю, включающему геотермальные скважины, сепаратор, турбину с электрогенератором, работающую с использованием геотермального теплоносителя, конденсатор пара, а кроме того система аккумулирования водорода последовательно подключена к водородному парогенератору, газопаровой турбине с электрогенератором и конденсатору пара.

В результате наличия вышеуказанных существенных признаков устройство приобретает новые свойства, связанные с появлением возможности производства водородного топлива на основе геотермальных источников энергии.

Схема предлагаемого устройства представлена на рис. 4.

Устройство содержит установку для производства водорода с блоком электролизера 1 и блоком его аккумулирования 2, водородный парогенератор 3, газопаровую турбину с электрогенератором 5, геотермальный модуль, соединенный электрическим кабелем 4 с электролизером и включающий в себя геотермальные скважины 6,7, сепаратор 8, турбину с электрогенератором 9, конденсатор пара 10 и насосы 11, 12.

Энергокомплекс работает следующим образом.

Геотермальный теплоноситель из скважины 6 поступает в сепаратор 8 и далее в турбину с электрогенератором 9 и конденсатор 10. Во время провалов в потреблении электроэнергии осуществляется производство водорода в установке с электролизером 1 и его аккумулирование в блоке 2. Во время пикового потребления электроэнергии вводятся в эксплуатацию водородный парогенератор 3 и газопаровая турбина с электрогенератором 5. Далее пар направляется в конденсатор 10. Отработавший геотермальный теплоноситель закачивается в скважину 7 насосами 11, 12.

Благодаря совокупности принятых технических решений обеспечивается производство водорода с использованием геотермальных источников энергии.

Принципиальная схема рассматриваемой технологии наземно-подводного энергокомплекса с гидротурбиной с установкой для производства и аккумулирования водородного топлива, представленная на рис. 5, позволяет пояснить принцип ее функционирования.

Технология содержит наземную установку для производства водорода с блоком электролизера 1 и блоком его аккумулирования 2, подводный модуль 3, соединенный электрическим кабелем 4 с электролизером и включающий в себя гидравлическую турбину 5 и электрогенератор 6. Модуль 3 посредством штанги с фундаментом 7 прикреплен к дну водоема (реки, пролива  и т.д.). Энергокомплекс работает следующим образом.

Гидравлическая турбина 5, вращаемая за счет энергии подводного течения, приводит в действие электрогенератор 6, который вместе со вспомогательным оборудованием находится внутри герметичного подводного модуля 3. Последний посредством штанги с фундаментом 7 прикреплен к дну водоема. Передача электроэнергии от подводного модуля к наземной установке осуществляется с помощью электрического кабеля 4. Производство водорода в электролизере 1 и его хранение в блоке аккумулятора 2 осуществляется в наземных условиях.

Рис. 5. Принципиальная схема наземно-подводного энергокомплекса с гидротурбиной с установкой для производства и аккумулирования водородного топлива

Предлагаемая технология может быть использована при широкомасштабном производстве электроэнергии, водорода и тепла в регионе Курильских островов с высокоскоростными течениями в проливах и вблизи быстротекущих рек. Кроме того, на Курильских островах имеются большие залежи титановых руд, на переработку которых требуются большие затраты электроэнергии.

Возможна продажа электроэнергии и водорода на экспорт в Японию и Корею.

Благодаря совокупности принятых технических решений обеспечивается производство водорода с использованием возобновляемых источников энергии.

• Третья технология обеспечивает генерацию водорода, его хранение и использование на основе применения органического топлива

Схема энергокомплекса с комбинированным топливом представлена на рис. 6.

Устройство содержит теплогенератор 1, турбину (паровую, гидропаровую) 2, основной электрогенератор 3, конденсатор-подогреватель 4, насос 5, электролизер 6, накопители кислорода и водорода 7, 8, водородный парогенератор 9, вспомогательную газопаровую турбину 10, вспомогательный электрогенератор 11, конденсатор-подогреватель 12.

Рис. 6. Принципиальная схема энергокомплекса с комбинированным топливом

Энергокомплекс работает следующим образом.

Из теплогенератора 1 рабочее тело поступает в турбину 2 и далее в конденсатор-подогреватель 4 и насос 5. Турбина 2 приводит в действие основной электрогенератор 3, который работает параллельно с внешними производителями (потребителями) электроэнергии и внутренними потребителями электрической и тепловой энергии, а также с электролизером 6. Кислород и водород поступают в накопители 7, 8 и далее в водородный парогенератор 9, вспомогательную газопаровую турбину 10, конденсатор-подогреватель 12. Конденсат закачивается в электролизер 6 и водородный парогенератор 9. Вспомогательный электрогенератор 11 периодически обеспечивает повышение потребности в электроэнергии внутреннего потребителя.

Благодаря использованию совокупности принятых технических решений обеспечивается повышение коэффициента использования топлива при производстве электроэнергии.

• Четвертая технология обеспечивает непрерывное производство электроэнергии и водорода без его накопления.

Использование установки для паровой конверсии природного газа в водород позволяет обеспечить непрерывную работу паровой турбины  с номинальной мощностью при высоких начальных температуре и давлении. Высокая температура водяного пара до 1700 К на входе в паровую турбину обеспечивает ее работу в режимах, характерных для газовых турбин, а выход паровой турбины связан с конденсатором пара, обеспечивающим давление ниже атмосферного. Последнее дает возможность увеличить располагаемый теплоперепад, срабатываемый в паровой турбине, на 25…30% больше чем в газовой.

Схема предлагаемого устройства представлена на рис. 7.

Рис. 7. Принципиальная схема электростанции с комбинированным топливом и установкой для паровой конверсии природного газа в водород

Устройство содержит паровой котел 1, установку для паровой конверсии природного газа в водород 2, Н₂/О₂ парогенератор 3, паровую турбину с электрогенератором 4 и конденсатором 5 , утилизационный котел 6.

Устройство работает следующим образом.

Из парового котла 1 пар поступает в Н₂/О₂ - парогенератор 3 и установку для паровой конверсии природного газа в водород 2. В Н₂/О₂ - парогенераторе водяной пар перегревается за счет сжигания водорода в среде кислорода. Для обеспечения оптимальных режимов работы установки паровой конверсии природного газа в водород она может быть связана газоходами с паровым котлом для подогрева продуктов реакции производства водорода. Для полезного использования тепла на выходе из установки для паровой конверсии природного газа в водород установлен утилизационный котел 6, выход пара из которого связан с промежуточным входом в турбину с электрогенератором 4. Далее пар поступает в конденсатор 5.          

Указанные особенности устройства позволяют достигнуть коэффициента полезного действия по выработанной электроэнергии до 70% по отношению к теплоте сгорания водорода. Достоинством данного устройства также является то, что для генерации пара и обеспечения его начального перегрева могут быть использованы уголь, мазут, альтернативные виды топлива и возобновляемые источники энергии.

Наверх

ЗАО НПВП "Турбокон"
Россия, 248010, г.Калуга, ул.Комсомольская роща, д.43, E-mail: turbocon@kaluga.ru
© 2015-2024г. Все права защищены