 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Международный опыт. Законы, технологии НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ* Технологические инновации могут не только повысить мощность энергосистемы, но также снизить стоимость и уменьшить нагрузку на окружающую среду. Зачастую новые технологии с научной и технической точек зрения не могут конкурировать (особенно вначале) с уже зрелыми технологиями и испытанными продуктами, но спектр их применения и диапазон мощности начинают значительно превосходить действующие технологии. В данной главе в этом ключе будут рассматриваться водород и камеры сгорания, которые в ближайшем будущем будут применятся на транспорте в качестве нового привода. Что касается некоторых технологий – возьмем, к примеру, двигатель Штирлинг, с которым в настоящее время проводятся многочисленные исследовательские и испытательные работы, то до сих пор мы не можем говорить о каких – либо значительных подвижках. Теплоцентраль г. Цельтвег с установкой по преобразованию биомассы, на которую в Штирии возлагались большие надежды в связи с плановым расширением, в отличие от рассмотрения в энергетическом докладе за 1998г., более не упоминается. В настоящее время электростанция с производительностью 137 МВт предназначена для продажи и будет предложена Акционерным Обществом Драукрафт Брюсселю в качестве инвестиционного пакета, так что запланированное увеличение применения биомассы в качестве горючего материала в настоящее время представляется нереальным. Исследовательские работы в Штирии определяются успехом на предприятии SEEG благодаря размещению биогазовой теплоэлектроустановки, а также ситуацией в г.Адмонт, где был внедрен линейный органический цикличеcкий процесс (ORC). Мы не упомянули в этой связи малые, чаще всего крестьянские, предприятия, которые по мотивам благоприятной тарифной ситуации в Штирии используют небольшие биогазовые теплоэлектроустановки в первую очередь на основе сухой перегонки древесины, что является процессом трудоемким и требует много времени. Такие установки, если их число будет расти, также смогут конкурировать с установками по производству электроэнергии на основе преобразования энергии. 6.1. Биогазовая теплоэлектростанция в г.Мурек – "Зеленая энергия" из розетки Для реализации отходного тепла в г.Мурек в 1998 году была размещена биогазовая установка для теплоэлектростанции, и с 1998 г. по 2000 г. она работала в испытательном режиме. При использовании растительно-масляного двигателя с мощностью в 140 кВт и использовании отходного тепла также в размере 140 кВт подобная "серийная техника" за 8000 часов годового функционирования должна была бы производить 1,2 млн кВт.час электрической энергии в год. Практика же показывает, что "серийные" растительно-масляные двигатели еще долго не смогут радовать своей работой Покупателя и поэтому для длительного функционирования они едва ли применимы. В связи с этим некоторым поставщикам двигателей стоит провести исследовательские работы для улучшения их функционирования. После растущего количества технических неполадок установка не может более функционировать таким образом, чтобы обеспечивать производство электроэнергии в продолжение всего года. Из соображений экономии производство тока с помощью рапсового масла возможно только в период высоких тарифов (октябрь-март включительно), когда и использование отходного тепла также является целесообразным. В качестве другого примера был установлен двигатель на глицериновой составляющей, который в 2000г. был запущен в испытательном режиме. Глицериновая составляющая (GLP) – это побочный продукт , который выпадает при производстве дизельного топлива из биогаза. Это жидкость на основе вискозы с общим содержанием энергии в 6 кВт.час, она не наносит вреда окружающей среде, но горит плохо. Бесперебойное производство возможно только после соответствующей подготовки глицериновой составляющей. После нескольких испытательных серий фирме ООО АЕР – "Альтернативные энергетические проекты" удалось разработать установку с двигателем по принципу самовозгорания, где в качестве топлива могла бы использоваться глицериновая составляющая. Установка для близкой передачи тепла в г.Мурек является первой в мире функционирующей на данной основе установкой и по концепции может поставлять одновременно 200-300 кВт электроэнергии и 300-500 кВт тепла. Если сравнивать с применяемым дизельным топливом, то при горении глицериновой составляющей образуется почти половинное количество CO и NOX. Выделение SO2 практически равно нулю. Не присутствует хлора и других вредных соединений. Сенсационным является то, что отработанный газ при этом не имеет сажи! После только одного полугодового, то есть кратковременного, испытательного прогона обоих двигателей (растительно-масляного и на глицериновой составляющей) можно в качестве резюме сказать следующее: - децентрализованное, на основе биомассы, производство электричества с использованием отходного тепла является целесообразным с точки зрения экологической безопасности и хозяйственной выгоды и в связи с этим должно форсироваться. - наука и промышленность должны поставить перед собой еще множество задач, чтобы производство электричества на основе биомассы стало как можно более беспроблемным в техническом плане. - исходя из экономических соображений применение глицериновой составляющей(GLP) в качестве топлива для данного вида двигателей более целесообразно, нежели очищенное растительное масло. - тарифы на электроэнергию, согласно закону по организации производства электроэнергии ELWOG, гарантированные на десятилетний срок в среднем, а также отопительные потребности – все это является предпосылкой для производства экологически безопасного тока на основе биомассы. В интересах растущего энергетического обеспечения и хозяйственного развития ответственные лица в стране и федеральной земле должны способствовать выполнению необходимых рамочных условий. Контактные реквизиты: Экологический Совет Карл Тоттер "OOO (GmbH) SEEG " 8480 г.Мурек, Пешткрёйцвег 3 Тел: +43(0)3472 3577-0 6.2 Линейный органический циклический процесс (ORC-Prozess) Линейный органический циклический процесс (ORC) представляет собой очень интересную технологию для децентрализованных биогазовых комбинированных тепло- электроустановок с номинальной мощностью менее 1 МВт. В рамках европейского демонстрационного проекта впервые в ЕС была использована специально разработанная для этого технология ORC – процесса применительно к биогазовой комбинированной тепло- электроустановке. В лесной промышленности STIA/Admont данная новая разработка (линейный органический циклический процесс, номинальная мощность 400кВт) с октября 1999г. успешно применяется в производстве, и в первый же год эксплуатации уже была достигнута полная нагрузка более чем в 4500 часов. Особыми достоинствами данной технологии (ORC) является ее надежность ( длительная способность функционирования, низкая стоимость технического ухода ), полная автоматизация производственного процесса и отсутствие потребности в персонале ( присутствие персонала требуется только на период от 3 до 5 часов в неделю), отличная приспособляемость к частичной нагрузке, а также относительно высоким для децентрализованных биогазовых комбинированных тепло- электроустановок КПД, равным примерно 17%. Проведенные научные оценки показывают, что специфическая себестоимость электроэнергии, производимой на биогазовой комбинированной теплоэлектроустановке на основе линейного органического циклического процесса (ORC) составляет от 0,05 до 0,12 Евро за кВт.час ( в зависимости от рамочных условий и величины установки). Подобная себестоимость с учетом специальных программ содействия многих европейским государствам с целью форсирования производства электричества из новейших энергоносителей делает целесообразным с научной точки зрения производство данного вида установок. Наибольший потенциал применения для биогазовых комбинированных теплоэлектроустановок на основе линейного органического циклического процесса ожидается для средних деревоперерабатывающих и деревообрабатывающих производств, децентрализованных топок для сжигания спелой древесины, а также для тепловых электростанций, работающих на биомассе ( вновь построенных или реконструированных). Технические данные по ORC- процессу, применяемому на биогазовой теплоэлектростанции деревообрабатывающего производства STIA/Admont Тепловая мощность входная (Термомасло) 2250 кВт Нагревательная среда термо-масляная Температура на входе (побочный продукт производства ) 300˚С Температура на выходе (побочный продукт производства) 250˚С Рабочий агент силиконовое масло Тепловая мощность на выходе (Конденсатор) около 1800 кВт Охлаждающая среда Вода Температура на входе (побочный продукт производства) 60˚С Температура на выходе (побочный продукт производства) 80˚С Электрическая чистая мощность при номинальной нагрузке около 400 кВт Электрический КПД при номинальной нагрузке около 17,7% Контактные реквизиты: Ингвальд Обернбергер, Альфред Хаммершмидт BIOS Биоэнергетические системы, Обернбергер & Народославски ОЕГ 8010 г.Грац, Зандгассе 47/13 Тел: +43(0)316-481300, факс: DW4 6.3. Двигатель Штирлинг Изобретенный в 1816г. шотландским священником Робертом Штирлингом двигатель после успешного применения в горном промысле был предан забвению. Только в последние тридцать лет благодаря интенсивным исследованиям и техническому прогрессу в качестве приводных устройств (для транспортных средств или в качестве производителя тока) стали использоваться совершенные двигатели. Большим преимуществом двигателей Штирлинг является возможность использования многих материалов, так что можно сжигать твердое, жидкое и газообразное топливо. Кроме того, данный двигатель отличается бесшумностью хода, низким выбросом вредных веществ, а также относительно высоким термодинамическим КПД ( до 38%). Только недавно для двигателей Штирлинг предусмотрели область применения – децентрализованные комбинированные теплоэлектростанции, а также энергоноситель в процессе использования энергии биомассы. Прежде всего, принцип функционирования двигателя Штирлинг так и напрашивается для применения на теплоэлектростанциях, чтобы иметь возможность использовать энергоноситель ( древесину) для извлечения теплоты при производстве электрической энергии, покрывать собственную потребность подобных электростанций в электроэнергии, а также обеспечивать увеличение подачи электроэнергии. В Европе насчитывается мало научно - исследовательских институтов и производителей двигателей Штирлинг для использования в производствах на биомассе – одним из них является исследовательский институт Йоаннеум Резеарх в г.Грац. Здесь был разработан специальный двигатель Штирлинг тип-а электрической мощностью 3,2 кВт. Воздух давлением в 30 бар используется в качестве рабочего газа, количество оборотов составляет 600 в минуту, электрический КПД равен примерно 26%. Следующий этап предусматривает разработку двигателя Штирлинг мощностью 30 кВт, который будет установлен на теплоэлектростанции г.Дёйчландсберг для работы в испытательном режиме. Затем будет разрабатываться двигатель Штирлинг мощностью до 100 кВт для запуска в серийном производстве. Опыт работы с двигателями Штирлинг в институте Йоаннеум Резерах показал, что применение данного типа двигателя для преобразования и получения энергии на малых и средних биогазовых тепловых электростанциях (сеть подачи тепла на близкое расстояние) не только технически возможно, но и экономически целесообразно, так как тепловые электростанции покрывают таким образом собственные потребности в электроэнергии и помогают избегать повышения цен при покупке электрической энергии в период пика нагрузок. Слабым местом применения в комбинации с вновь построенными или уже существующими установками (на основе биомассы) является обеспечение теплом на короткие расстояния, это может стать дальнейшие разработки по изобретению двигателя с мощностью до 500 кВт. В сравнении с относительно высокой общей стоимостью электричества ( от 0,15 до 0,16 евро за кВт) двигатели Штирлинг могут быть экономически оправданными при мощности от 30 до 100 кВт и ожидаемых ценах на производство электричества в пределах от 0,07 до 0,11 Евро за кВт. В соответствии с поставленными целями по федеральному энергетическому планированию расширение применения двигателей Штирлинг в рамках общего проекта таит в себе не только возможности использования биомассы и дальнейшего завоевания энергетического рынка, но может также представлять большой интерес, как внутри всей страны, так и за рубежом. Проект по двигателям Штирлинг института Йоаннеум Резеарх позволяет избежать возникновения конкуренции с аналогичными работами, проводимыми в мире большими промышленными концернами, так как разработки в Штирии, учитывая мощность двигателей, имеют целью применить их в четко определенных областях. 6.4. Водород Крайне легкий водород (Н2) в качестве составляющего элемента воды и многих органических соединений является самым часто встречающимся элементом на земле. Как часть биологического круговорота он нейтрален к окружающей среде и имеет, с технической точки зрения, ряд выгодных свойств. В виде газа (СH2), в жидком виде (LH2) или же в форме химического соединения водород Н2 может транспортироваться и храниться. Его можно сжигать, при этом происходит большой выход энергии без вредных выбросов – в остатке остается вода. Уже столетия, как водород является наиболее часто используемым в промышленности сырьем ( почти 500 млрд м3 в год), восстановленным различными способами , чаще всего из природного газа посредством преобразования паром или из нефти посредством частичного окисления. Естественно, в данном случае в распоряжении конечного пользователя может оказаться не только чистая без выбросов энергия, но также и общая цепочка возникновения энергии. - восстановление водорода посредством сжигания ископаемого топлива из-за низкого КПД электролизёра требует большого перерасхода топлива и приводит к значительной нагрузке на атмосферу. - после свободного сжигания водорода в смеси с кислородом освобождается большое количество окиси азота ( NO2). - водяной пар в верхних слоях стратосферы может дополнительно влиять в сторону увеличения на тепловой режим земли. На этот аспект должны обратить внимание в первую очередь самолетостроители и производители транспортных средств. В качестве постоянной возможности производства водорода упорно рассматривается добыча возобновляемых источников (солнце, ветер), производимая энергия добывается посредством расщепления воды (электролиз воды) до получения водорода Н2. Данный процесс, конечно, повысит стоимость за кВт, если учитывать современные многоплановые методы преобразования.
Круговорот водорода Энергия из железного лома Другая методика производства водорода исследована в Техническом университете г.Граца. Профессор Фридрих, Кордеш и Штиглер настаивают на использовании "Реактора на губчатом железном ломе", принцип функционирования которого взят из сталелитейного производства. Речь идет о процессе прямого восстановления и о методике, при которой железная руда превращается в доменный чугун не через процесс плавки, а благодаря подаче газа. Данный метод дает выделение водорода из руды без необходимости обеспечения высокой температуры в печи. Именно такой метод пригоден для получения водорода. Реактор, работающий на губчатом железном ломе, функционирует в два этапа - сначала окись железа (Магнетит) через потерю кислорода " поднимается" на более высокий энергетический уровень. Чистое железо (Вюстит или губчатый железный лом) на втором этапе начинает ржаветь, то есть опять окисляется. Если при этом подать водяной пар, то в результате данного процесса окисления наряду с водяным паром выделяется чистый водород, причем в пригодном для использования количестве. Здесь же вновь образуется окись железа, и процесс может начинаться сначала. Этот процесс интересен тем, что поскольку для получения водорода может использоваться газ, как из ископаемых, так и из возобновляемых источников, то данный процесс представляет собой идеальную переходную технологию. Но в первую очередь выделяемая при этом в качестве основного элемента восстанавливаемая энергия используется для производства Н2. В Граце же попробовали провести газификацию с помощью образованного из биомассы газа. Конечно, КПД, который составляет 25% при использовании возобновляемых источников и относительно невысок, является наиважнейшим критерием; КПД при использовании ископаемых источников энергии составляет(теоретически) 90%. Разумеется, эта тема будет исследоваться и далее, в рамках международных проектов и при участии ОМВ (OMV). Водород дает возможности многостороннего использования Обогрев и охлаждение Водород в чистой форме или в смеси с природным газом может использоваться для обогрева жилищ. Производство электрической энергии Производство электрической энергии осуществляется в так называемых камерах сгорания (см.главу 6.5), в которых электрохимическим путем водород и кислород превращаются в воду, одновременно с чем образуется электрическая и тепловая энергия. Это процесс, обратный электролизу. В принципе, камеры сгорания могут функционировать на различных видах топлива, таких как, например, водород, природный газ, метанол, пропан, бутан или бензин. Необходимый газ, за исключением водорода, в заранее включенном "Преобразователе" подготавливается таким образом, что содержащийся в углеводороде водород начинает свободно выделяться. Затем он очищается и может производить реакцию в камере. В некоторых типах камер необходимый кислород обеспечивается наружным воздухом, который также может подводиться непосредственно. Химическая реакция в камере сама по себе не дает вредных веществ. Только при преобразовании топлива образовываются малые количества выбросов. Горючее для транспортных средств Водород может использоваться непосредственно для привода в транспортных средствах с двигателем внутреннего сгорания и может использоваться для транспорта, работающего без вредных выхлопов( см. также главу 7.2.3.8.). Опытные образцы транспортных средств (Pkw и автобусы) технически полностью доведены. Условием для направления их на рынок наряду с серийным выпуском данных транспортных средств является также строительство надежных и простых в обслуживании заправочных станций. Н2 может подвозиться в сжатом при давлении в 200 бар виде в баллонах из легкой стали или же в сжиженном в камерах сверхнизких температур (при минус 253˚С) виде. При этом Н2, при одинаковой с бензином теплотворности 2,6, весит меньше, правда, ему требуется (при изоляции минимум 4) в 3,75 раз больший объем. Благодаря следующим преимуществам Н2 мог бы использоваться как рабочее топливо в транспортных целях: - водород мог бы уже сегодня с помощью классического Н2- электролизера производится при токе малой нагрузки. - Н2 в качестве топлива мог бы значительно уменьшить сегодняшнее загрязнение воздуха- за счет уменьшения СО2, и цели Киотского соглашения оказались бы реально достижимыми, конечно, только при условии, что в качестве первичной энергии уже скоро будут применяться возобновляемые виды энергии. - перестройка могла бы проходить постепенно, так, чтобы заправочные станции подавали как бензин, так и Н2 до тех пор, пока процесс не завершится. Камеры сгорания Когда в Нью-Йорке произошло отключение электричества, полицейский участок в Центральном парке продолжал работать, благодаря котельной установке мощностью в 200 кВт и величиной с небольшой вагон. То, что уже функционирует в Нью-Йорке, где-то является желаемым источником энергии будущего. 6.5.1. Новые технологии? Камеры сгорания не являются находкой нашего времени. Уже в 1839г.(!) англичанин Вильгельм Гроу представил первую батарею (щелочную) камеры сгорания, в которой он смог путем реверсирования электролиза получить, из водорода и кислорода, электрическую энергию (с выделением теплоты). Преимущества данной технологии в сравнении с другими системами высокий КПД и малый остаточный продукт ( или вредные вещества) были вскоре признаны, и уже в 1894г. Вильгельм Освальд подробно писал об этом и сравнивал данную технологию с паровой машиной в комбинации с генератором, используемой в то время для производственного процесса в наиболее часто применяемой системе преобразования энергии. Тем не менее, несмотря на многие обещания, разработка продвигалась медленно. Существенный импульс был дан, как и во многих других областях, космическими полетами. В поисках эффективных энергетических систем НАСА наткнулось на камеры сгорания и запустило свою программу АППОЛОН с использованием данной технологии ( горючим был жидкий водород с жидким кислородом). Это была заправка кислородом камеры сгорания, которая была осуществлена во время полета АППОЛОН-13. Позднее меры сгорания стали применяться для обеспечения энергией спутников на коммерческой основе. Для прорыва это системе также не помогло. Когда в 1987 году специалисты канадской Компании Ballad Power Systems провели испытания новой мембраны (экспериментальные мембраны фирмы DOW) на собственной аппаратуре для камер сгорания, и в результате эксперимента при прохождении тока произошло сквозное оплавление подводящего и отводного кабеля, стало очевидно, что камера сгорания из мифа должна превратиться в реальность. Благодаря данному эксперименту фирма стала ведущей по камерам сгорания, горсточка сотрудников превратилась в известное на бирже предприятие от NASTAQ и начиная с 90 годов наконец-то, используя результаты компании Ballad, все ведущие автомобильные концерны и предприятия энергетической промышленности стали предпринимать энергичные усилия в этой технологической области. 6.5.2. Как функционирует камера сгорания? В основном, принцип функционирования камеры сгорания сравним с процессом, обратным водному электролизу. В ходе электролиза при пропускании электрического тока молекула воды распадается на водород и кислород, а в камере сгорания наоборот, Н2 и О2 вступают в реакцию образования воды, освобождая при этом электрическую и тепловую энергию. Независимо от типа (см. также 6.5.3. Системы камер сгорания), камера сгорания состоит из двух электродов, одного анода и одного катода, которые разделены газо- и водопроницаемым, проводящим протоны, электролитом. Электроды имеют пористую структуру и пропускают газ. Теоретически напряжение при холостом ходе камеры Н2/О2 при комнатной температуре составляет 1,23 В и при повышении температуры в камере оно понижается. Чтобы получить плотность мощности несколько камер подключается в виде так называемого "штабеля". За счет внутреннего сопротивления камеры при выполнении электрической работы уменьшается напряжение на холостом ходу; так, рабочее напряжение при использовании фосфорокислотной камеры сгорания с обычной рабочей температурой около 200˚Цельсия вначале составляет только 0,64 В ( что в продолжение функционирования за счет процесса старения еще больше уменьшается). Часть топлива, которая не превратилась в тепловую энергию, может посредством охлаждения отводиться от "штабеля" и использоваться. Установки с фосфорокислотными камерами сгорания могут использоваться в коммерческих целях. 6.5.3. Система из камер сгорания (Щелочная) батарея " Вода-кислород"( AFC), разработанная ученым Гроу, еще в 60-е годы нашла свое применение в военной промышленности и в космической сфере. Сегодня же, благодаря совету исследователей мы получили пятиходовую систему: Камера сгорания с мембраной из полимера в качестве электролита (PEMFC) может комбинироваться c компактным "штабелем" , давая высокую мощность. Она работает с платиновым катализатором ( работа ведется над снижением стоимости посредством уменьшения содержания платины ), канадская фирма Ballad в Ванкувере с 1997 года использует опытную установку с электрическим КПД в 34%, а с 2000 года улучшенную установку в Берлине, мощностью в 250кВт/230 кВт. Уже добились электрического КПД системы в среднем 35% и общего КПД в 90%, до 2000 года должны пройти испытания первые 50 систем. Фосфорно-кислые камеры сгорания (PAFC) могут на холостом ходу непрерывно держать тепло в пределах от 40 до 50 градусов Цельсия, при этом электролит не кристаллизуется. Установки на основе данной технологии имеются в Японии, последние 20 лет было размещено множество систем с мощностью, измеряемою в МВт. Были замечены лишь незначительные неисправности. В камере сгорания на плавком карбонате (MCFC) электролит доводится до температуры свыше 600˚Цельсия для ионов карбоната, и этого уровня теплоты достаточно, чтобы углеводород преобразовывался непосредственно в анодной камере. Данная камера сгорания может работать на недорогих материалах, получаемых в ходе обычных производственных процессов. Фирма MTU г.Фридрихсхафен в Германии совместно с европейским Консорциумом EVU и в рамках лицензионного соглашения с американским предприятием разработала установку на 280кВт, в которой нагревающиеся части располагаются в газонепроницаемом котле, что значительно облегчает управление процессом и наблюдение за состоянием труб и прокладок. Этот так называемый "Горячий модуль" готов к серийному производству и является основной деталью каждой установки типа MCFC ( на плавком карбонате). Он может сразу же быть подключен в сеть и к подаче топлива, размещается на низкорамной тележке и поэтому мобилен. Высокие требования к применяемым материалам из-за особенно высокой температуры при реакции выдвигают оксидкерамические камеры сгорания (SOFC). Им необходимо длительное время для нагревания при холодном старте и управление газом и теплотой, особенно при давлении и очень высокой температуре затрудняется. В настоящее время распространено множество исследовательских концепций, применение которых обещает четкое руководство плотностью мощности и упрощенное управление камерой сгорания данной конструкции. В настоящее время они продаются швейцарской фирмой Sulzer Hexis, которая применила ее уже сегодня на комбинированной пилотной тепло-электроустановке, работающей на природном газе. Современные 1 кВт-ные "штабели" (размерами 12х35см) состоят из 50 камер. Электрический КПД миниустановки SOFC( оксидкерамической) при номинальной мощности составляет 40%, общий КПД достигает 90%. Целый ряд предприятий (Westinghous, Siemens, RWE и др.) уже создали опытные установки или вот-вот создадут подобные. Обзор современных типов камер сгорания
Особые надежды возлагаются на новую камеру сгорания с непосредственной реакцией с метанолом (DMFC), в которой метанол может подаваться непосредственно, без необходимости предварительного получения водорода путем преобразования. В принципе, данная камера сгорания может применяться в качестве малого источника энергии для, например, переносных бытовых приборов, ноутбуков, фото- и видеокамер и т.д.(для них очень желательно иметь более продолжительный срок функционирования), во всяком случае, степень развития данных камер еще не такова, чтобы, так сказать, завтра можно было бы рассчитывать на применение их в подобных изделиях. Тем не менее, шансы в настоящий момент велики, как никогда: Промышленность проявляет живой интерес к камерам сгорания. Роль пружины могут сыграть предприятия средств связи, если мобильные приборы смогут передавать данные и давать доступ в интернет. Сегодняшние батареи быстро изживут себя. Наряду с миниатюризацией камер важен отвод продукта реакции, в первую очередь водяного пара. Камере нельзя нагреваться, и в приборах не должно образовываться водяных капель , которые могут повредить их. Общество Фраунхофер разработало прототип, в котором в качестве сборника для водорода был выбран металлогидридный накопитель. Этот резервуар может заменяться независимо от камеры сгорания, которая сама имеет величину спичечного коробка. При непосредственном сравнении с аккумулятором несколько большие по размеру камеры сгорания (на сегодня) еще проигрывают, но уже очевидно, что аккумулятор, которому нужна замена, будет уступать камере сгорания с заменяемым резервуаром. Альтернативой водородным камерам сгорания являются камеры сгорания на метаноле. Метанолу, из-за относительно малой плотности мощности, долгое время уделялось мало внимания, тем не менее, его сравнительно высокая концентрация энергии сегодня является тайным преимуществом для будущих технологий. Это означает, что нужна аппаратура, которая требует мало электричества и может при этом функционировать долгое время. Данная камера сгорания была бы именно тем, что ищут производители малых приборов. Поэтому над этой технологией работают такие предприятия, как Моторола, которое в своих лабораториях в Лос Аламос разработало камеру сгорания размером 2,5х2,5 см и толщиной 2,5мм, которая дает энергии почти в десять раз больше, чем современные аккумуляторы сравнимых размеров. Заправляется такая камера маленьким патроном с метаном, который по величине такой же, как и патрон с чернилами ( для ручки). 6.5.4. Ожидания относительно водорода Возможности его применения в высшей степени многочисленны, исследовательские и конструкторские отделы больших концернов, прежде всего в автомобильной промышленности, интенсивно работают над темой камер сгорания, поставщики энергии возлагают большие надежды на них. Что может быть противопоставлено их широкому применению? Немецкий Бундестаг поручил своей "Комиссии по технической оценке" рассмотреть целесообразность технологии по камерам сгорания. Выдержки из доклада по данной теме показали, что мы стоим прямо-таки перед неизбежной технической революцией, которая будет сопровождаться мощной всеобщей конкуренцией различных заинтересованных групп. И для экологической целесообразности камер сгорания безразлично, откуда поступает энергия для них, производится ли она с помощью водорода или же другого горючего. Применение разных способов функционирования позволяют использовать различные виды горючего и соблюдать разные производственные условия. В целесообразности камер сгорания по большому счету не сомневается никто и эксперты по технической оценке также подтверждают, что всеобщие усилия крупных предприятий и объемная поддержка государственных стимулирующих программ оправдают ожидания того, что их применение откроет мощный рыночный потенциал, кроме того, можно будет найти решения проблем в транспортном секторе и энергетическом хозяйстве. Конечно, временной горизонт открывается совершенно иной, чем можно было себе представить после первых объявлений представителей автомобильной промышленности и энергетического хозяйства( так, например, компания Даймлер-Крайслер до 2004 года намеревалась подготовить автомобиль класса А с камерой сгорания, подобные ожидания формулировались и другими производителями автомобилей). Так, доклад" Водород в качестве непосредственного горючего для обеспечения привода с помощью камеры сгорания" на сегодняшний взгляд рисует долгосрочную перспективу, если учесть, что, по мнению промышленников, возможность представить на рынок изделия на основе водорода в Германии будет разрабатываться с 2005 года. Так что еще 20 лет для обширного энергетического рынка будут иметь преимущество другие энергоносители, имеются в виду спирт (метанол) и углеводород (диметилэфир, бензин). К тому же нужно заметить, что прогресс главным образом зависит от рамочных условий энергетической промышленности, и уже сейчас водород также может использоваться в двигателях внутреннего сгорания ( этим путем следует фирма БМВ), а метанол и бензин при преобразовании используется камерах сгорания. Хотя камера сгорания и работает с очень малым образованием вредных веществ, тем не менее нет решения при использовании ее в теплицах , разве что применять в качестве горючего чистый водород – вместе с солнечной энергией это является идеальным способом. Кроме того, при применении метанола и бензина, из-за потерь в преобразователе, камера сгорания не имеет существенно более высокого КПД, чем двигатель Отто. В итоге, переделывание транспортных средств на основе камер сгорания ставит еще много вопросов. Лучше выглядит проблема с точки зрения развития стационарных систем энергоснабжения. Высокий КПД камер сгорания дает, в сочетании и комбинированными теплоэлектроустановками, хорошие перспективы для экономии природных энергоносителей. Уже в энергоснабжении жилищ появляется возможность получения драгоценных эффектов сложения энергий , при этом достигается как продолжительность функционирования камер сгорания, так и миниатюризация преобразователя. Дом вместе с автомобилем могли бы способствовать тому, чтобы камера сгорания быстрее получила распространение. Конечно, исследователи непосредственно в этом видят большое препятствие: Предполагается, что рынок классических децентрализованных комбинированных установок вследствие либерализации (Энергетического хозяйства) будет сокращаться, что также негативно повлияет на рыночные шансы камер сгорания. Понижение стоимости электричества и как следствие приблизительность планирования отражаются в стремлении укоротить период амортизации новых установок с целью уменьшения инвестиционных рисков. Такие эффективные концепции преобразования энергии, как система камеры сгорания, которые требуют сравнительно больших начальных инвестиций и окупаются только через длительное время за счет экономии горючего, несут в связи с этим потери. Тема эта известна и сторонники возобновляемых энергоносителей вынуждены бороться с такой ситуацией. Для краткосрочного сценария имеется энергоноситель для стационарных установок более или менее определенный - это природный газ. Только в средние или в продолжительные сроки возобновляемые энергоносители смогут постепенно расширять свое влияние, причем согласно новой директиве ЕС по данной теме они будут всячески поддерживаться. 6.5.5. Биогаз в качестве энергоносителя? Объединение принципа функционирования камеры сгорания и биогаза в качестве возобновляемого энергоносителя с очень высоким потенциалом в плане уменьшения выбросов парниковых газов является достаточно соблазнительным. Как глубоко разработано применение данной технологии? В начале 2001 года в г.Штейер было проведено мероприятие по камерам сгорания с использованием биогаза, в котором приняли участие представители университетов и общественных исследовательских организаций, поставщиков энергии, заинтересованных предприятий, промышленных предприятий по производству аграрной и пищевой промышленности, а также тех предприятий, которые задействованы в секторе биогаза или камер сгорания. Итогом данного мероприятия было заключение, что через несколько лет подобные комбинированные системы могли бы применяться, в особенности в области сельского хозяйства, для дешевой и постоянной переработки отходов, а кроме этого для обеспечения электрической и тепловой энергии. Далее, данный сегмент до сих пор еще мало привлекал патентные службы международных конструкторских фирм, так что Австрия занимает по тепловым технологиям на основе биомассы и в области комбинированных биогазовых тепло- энергоустановок главенствующее положение. Технология камер сгорания вскрывает потенциал, благодаря которому данное положение еще более укрепится и предоставит Австрии и в особенности также Штирии крупный шанс активно внедриться в будущий энергетический рынок. 6.5.6. Закрытие рынка Установки с камерами сгорания по сравнению с конвенционными биогазовыми тепло-электростанциями дают больше электрической энергии, чем тепловой, что имеет особенное значение в области разделения нагрузки. Поэтому для планирования комбинированных тепло- электроустановок должны быть сформулированы новые необходимые четкие критерии и определена область применения, потому что размер кредитования в электроэнергетическую сферу при пониженном производстве или, наоборот, при увеличении выброса электроэнергии оказывают на состояние хозяйства больше влияния , чем при использовании конвенционных биогазовых теплоэлектроустановок, так что при современных условиях свободного рынка электроэнергии благоприятное соотношение распределения нагрузок при производстве электроэнергии является не бесполезным . Именно в этой области, несмотря на многообещающий в будущем технический потенциал камер сгорания, существует конкуренция -двигатели для биогазовых теплоэлектроустановок и малые установки с газовыми и паровыми турбинами, которые уже могут забрать на себя часть рынка тепловой и электрической энергии, технически доведены и имеют благоприятную цену, кроме того, они также имеют потенциал для развития. В короткие сроки, то есть в течение следующих десяти лет, имея устойчивую технологию, камеры сгорания смогли бы конкурировать на свободном рынке в следующих областях: - система для децентрализованного бытового производства электрической и тепловой энергии с мощностью от 1 до 10 кВт. В этом плане швейцарская система фирмы Зульцер-Хексис (Sulzer-Hexis) уже готова к продвижению на рынке; - установки для децентрализованного производства мощностью 200 кВт; некоторые системы вскоре будут опробованы на рынке, они основаны на технологии PAFC (фосфорно-кислотная камера сгорания); другие системы на основе прочих технологий для камер сгорания находятся еще в стадии разработки; - коммерческие агрегаты в качестве замены для генераторов и двигателей в 1 кВт; основанные на камерах сгорания PEMFC (полимерный электролит) приборы еще находятся в разработке, но производство в ближайшие годы пригодных для рынка систем является реальным. В средние сроки, то есть в ближайшие 10-20 лет, вырисовывается очень высокий потенциал для замещения существующего оборудования камерами сгорания широкого диапазона мощности. Конечно, еще необходимо преодолеть барьеры в связи со специфичностью применения и выполнить условия, определяемые рынком. Это поможет, в первую очередь, замещению малых аккумуляторов, мощностью менее 10 Вт, что поможет создать рынок , который за счет изобилия изделий, работающих на подобном приводе , смог бы играть ключевую роль в развитии. 6.5.7. Камеры сгорания – развитие в Штирии Европейский Союз в пятой рамочной программе по исследованиям и технологическому развитию отдает главные приоритеты технологии камер сгорания. В Австрии при BMVIT оборудована цепь рабочего тока для мобильного и стационарного применения. Среди прочих присоединились также AVL и автомобильная компания Steyer-Daimler-Puch, Технический университет г.Граца и руководство Федеральной землей Штирией. В качестве первого вклада в проект по применению технологии малых камер сгорания мощностью до 10 кВт для отдельно стоящих зданий в рамках программы региональной поддержки по линии ЕС Муниципалитет г.Гляйсдорф пообещал поддержку в 0,11 млн Евро (при общей стоимости 0,25 млн Евро). Малая установка будет размещаться в здании монастыря, которое было использовано для федеральной выставки "Энергия 2001". Применение возобновляемых энергоносителей, таких как биогаз, биомасса, биогорючее (вернее, производных водорода из данных энергоносителей для применения в камерах сгорания) представляет собой для Австрии и для Штирии самый большой потенциал ( в средние/далекие по приближенности сроки). Что касается заинтересованности международных патентных служб, то до сих пор этот сегмент их прельщал мало. Штирия занимает уже сегодня по разработкам технологий получения тепла из биомассы, а также по технологии комбинированных теплоэлектростанций на базе биомассы/биогаза главенствующее положение, а технология камер сгорания дает потенциал, который должен укрепить и расширить данное положение. Дополнительная информация Гери Хендерсон, инженер из США, не понимает "болтовни" об энергетических кризисах. Он видит источники энергии будущего в улицах, увеличении движения и крестьянских дворах. Самые большие неиссякаемые источники энергии – это передвижение животных, людей и транспортных средств. Идея выглядит просто. Люди и транспортные средства имеют вес и при движении они перемещают этот вес из одного пункта в другой - чем тяжелее, тем больше нужно энергии. Чтобы получить энергию, которая переносится силой тяжести, он, к примеру, помещает в конструкцию, которую называет "traffic tap " ,(наполненные жидкостью шланги), под верхней поверхностью улицы. Когда сверху проезжает машина, ее вес давит на жидкость в шланге через "генератор", производится ток. Затем шланг снова наполняется для следующего автомобиля. При соответствующем движении и весе какое-то количество энергии могло бы появляться на выходе из генератора. Критики выдвигают следующие доводы: данный агрегат, в принципе, потерю эффективности горючего преобразовывает в электричество и таким образом повышает расход горючего, и при этом увеличивается нагрузка на атмосферу. Хендерсону возражают в том плане, что дорожное покрытие представляет собой так называемую неизменную силу, и полезность её не должна связываться с передвижением транспорта. Он же и его фирма "Гравитационные системы" верят в идею и инвестируют проектирование и компьютерную поддержку исследования. Хендерсон исходит из того, что 100 подобных агрегатов на оживленном участке движения смогут произвести электроэнергию в количестве, достаточном для небольшого города с населением от 10000 до 20000 жителей. Состоятельные в финансовом отношении спонсоры готовы предположить введение данной системы уже в 2002г. на некоторых демонстрационных проектах. Подробнее об этом читайте на сайте www.gravitationalsystems.com/news.htm *Нумерация разделов указана согласно оригиналу: Доклад по энергетике за 2001 год по Федеральной Земле Штирии (Австрия) |
|
|
 |
 |
 |
 |