Топливный элемент: функции и потенциал экономии
Топливный элемент – это система отопления, использующая функциональный принцип комбинированного производства тепла и электроэнергии. Это означает, что он генерирует как электроэнергию, так и тепло. Для производства электроэнергии и тепла топливный элемент нуждается в кислороде и водороде. Последний сначала получают из природного газа, а затем преобразуют или реформируют в самом топливном элементе. В качестве побочного продукта образуется вода.
Топливный элемент, используемый в стандартной комплектации
В качестве отопительного прибора топливный элемент многократно испытан и надежно работает. Только в Японии с 2009 года (по состоянию на 01/2015) различными производителями для стационарного применения было продано уже более 123 000 единиц. Котлы Viessmann на топливных элементах Vitovalor PT2 и Vitovalor PA2, специально разработанные и оптимизированные для отдельно стоящих и двухквартирных домов, работают с очень высоким общим КПД и предназначены для работы с оптимальной мощностью.
Однако топливные элементы также обеспечивают энергией транспортные средства и суда, а также электроснабжение в аэрокосмической промышленности. Другие области применения включают мобильные телефоны (батареи), управление дорожным движением, безопасность и наблюдение, ветроэнергетику и телекоммуникации. Кроме того, топливные элементы можно найти в секторе отдыха для обеспечения электроэнергией (например, в домах на колесах, парусных судах, домах отдыха и горных хижинах).
Зарядка электромобиля в домашних условиях: Как это работает
Узнайте все подробности! Практически каждый дом (новостройка или проект модернизации) может производить экологически чистую электроэнергию для семьи и электромобиля; с помощью топливного элемента, накопителя энергии, солнечных батарей и правильной технологии можно максимально сократить расходы на электричество и бензин. Андреас Чилвик, наш эксперт по системам электроснабжения и отопления, объясняет, как это работает и как это окупается.
Узнайте подробности! Практически каждый дом (новостройка или проект модернизации) может производить экологически чистую электроэнергию для семьи и электромобиля; с помощью солнечных батарей, топливных элементов и правильной технологии можно максимально сократить расходы на электричество и бензин. Андреас Чилвик, наш эксперт по системам электроснабжения и отопления, объясняет, как это работает и как это окупается.
Как работает топливный элемент?
Производство тепла и электроэнергии в топливном элементе основано на электрохимической реакции двух элементов – кислорода и водорода. Тип горения, который имеет место в обычных котлах, не происходит, поэтому этот процесс также называют холодным горением.
На рисунке показана схема химической реакции в топливном элементе.
Хотя водород в изобилии имеется в природе, он не встречается в форме, необходимой для холодного сжигания в Vitovalor. Поэтому он должен быть получен из природного газа в более раннем процессе. В зависимости от требований Vitovalor PT2 может работать на природном газе H, E, LL или биоприродном газе. Вспомогательный блок Vitovalor PA2 может работать на природном газе E и LL.
Подаваемый газ проходит через встроенный в установку риформер, где каталитический конвертер расщепляет его на водород в ходе двухступенчатой реакции. На первой стадии процесса конверсии образуется смесь водорода и монооксида углерода. На втором, последующем этапе очистки газа, окись углерода преобразуется в двуокись углерода. Затем следует холодное сжигание, в результате которого одновременно вырабатывается электричество и тепло.
Полученный таким образом водород поступает в модуль топливного элемента. Далее он расщепляется на аноде каталитическим преобразователем на положительные ионы и отрицательные электроны. Последние перемещаются от анода по электрическому проводнику к катоду, который вырабатывает постоянный ток. Встроенный инвертор преобразует его в переменный ток перед подачей в цепь питания. В то же время положительно заряженные ионы достигают катода, где вступают в реакцию с кислородом. Тепло, выделяемое при этой реакции, поглощается заполненными водой охлаждающими каналами топливного элемента и передается в теплообменник. Полученная таким образом тепловая энергия может быть использована для центрального отопления или ГВС. Кроме того, разделение положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов предотвращает взрывную кислородно-водородную реакцию.
В следующем видеоролике представлена информация о преимуществах Viessmann Vitovalor.
Более подробную информацию о том, как работает отопление на топливных элементах, вы можете найти на консультационном портале heizung.de.
Как работает топливный элемент в течение дня
В течение большей части дня электроэнергии, вырабатываемой системой отопления на топливных элементах, достаточно для удовлетворения спроса. Потребление электроэнергии из общественной сети происходит только в пиковое время. В свою очередь, излишки электроэнергии экспортируются в сеть в обмен на вознаграждение. Это делает пользователей отопительных систем на топливных элементах менее зависимыми от растущих цен на электроэнергию.
Первый пик спроса на электроэнергию и тепло приходится на утро: для освещения, приготовления завтрака и принятия душа. Топливный элемент вырабатывает тепло и электроэнергию для потребления на месте. Котел для пиковой нагрузки автоматически включается для получения дополнительного тепла (слева). В течение утра топливный элемент продолжает работать и покрывает базовую нагрузку – котел пиковой нагрузки отключается.
В полуденные часы также требуется больше энергии: например, для приготовления пищи или стирки. Котел с пиковой нагрузкой, в свою очередь, покрывает дополнительный спрос на тепло. Во второй половине дня потребление энергии снова снижается, и топливный элемент продолжает работать самостоятельно.
В вечерние часы часто требуется больше электроэнергии, чем вырабатывает топливный элемент. Тогда дополнительная энергия берется из общественной сети. Как только в доме становится тише поздним вечером, потребность в электроэнергии также значительно снижается. Избыток энергии от топливного элемента подается в сеть и оплачивается.
Потребность в тепле и электроэнергии минимальна. Топливный элемент работает в базовом режиме. Система полностью покрывает энергетические потребности дома.
Vitovalor PT2 и Vitovalor PA2
С Vitovalor PT2, преемником Vitovalor 300-P, и Vitovalor PA2, вспомогательной установкой для дополнения существующей системы отопления, Viessmann предлагает два эффективных решения для производства электроэнергии и тепла в отдельно стоящих и двухквартирных домах.
Компактный отопительный прибор Vitovalor PT2 на топливных элементах
Vitovalor PT2 – это идеальный энергетический центр для современного отдельно стоящего дома. Система сочетает в себе производство тепла и электроэнергии на очень небольшой площади. Система отопления на топливных элементах обеспечивает значительно более высокий электрический КПД, чем при использовании современных решений комбинированной выработки тепла и электроэнергии (ТЭЦ). Это снижает количество отбираемого тепла и делает отопительное устройство на топливных элементах особенно подходящим для использования в проектах нового строительства и реконструкции.
Системная схема Vitovalor PT2
[1] Стандартный блок с модулем топливных элементов и газовым конденсационным котлом
[2] Башенный цилиндр
[3] Интерфейс связи
[4] Встроенный счетчик экспорта
[5] Маршрутизатор
[6] Внутренняя цепь питания
[7] Интернет
[8] Приложение ViCare
[9] Общественная сеть
Система отопления на топливных элементах Viessmann состоит из двух блоков, которые можно транспортировать по отдельности. Это позволяет быстро и легко установить систему даже в узких подвальных помещениях. В одном блоке находится баллон ГВС из нержавеющей стали емкостью 220 литров, а в другом – газовый конденсационный котел для покрытия пиковых нагрузок, блок управления с погодной компенсацией и большим цветным сенсорным экраном, а также модуль топливных элементов с риформингом, инвертором и блоком топливных элементов (серия из множества топливных элементов). Этот визуально целостный блок компактен и занимает площадь всего 0,72 квадратных метра.
Сечение изделия Viessmann Vitovalor PT2
Vitovalor PA2 в качестве дополнения
Viessmann Vitovalor PA2 является идеальным дополнением к существующей системе. Это компактная система, состоящая из модуля топливных элементов, встроенного риформера, блока управления, гидравлической и сенсорной техники. В отличие от Vitovalor PT2, газовый конденсационный котел не интегрирован.
Газовый конденсационный котел в основном используется для покрытия тепла в периоды пиковой нагрузки. То есть, когда на улице очень холодно или когда требуется большое количество горячей воды в короткие сроки. Газовый конденсационный котел и модуль топливных элементов питаются через общий газопровод. Они также имеют общую систему дымохода, что делает установку такой же простой, как и для настенного газового конденсационного котла. Это относится к Vitovalor PA2, в частности, к Vitodens 200-W с 2011 года выпуска.
Сечение изделия Vitovalor PA2
Насколько эффективна система отопления на топливных элементах Viessmann?
При выработке электроэнергии также производится тепло, которое на крупных традиционных электростанциях обычно теряется в виде неиспользуемого отработанного тепла. Системы отопления на топливных элементах, такие как Vitovalor, напротив, используют это отработанное тепло для центрального отопления и ГВС. Поэтому они имеют очень высокий уровень общей эффективности. Кроме того, отсутствуют потери при передаче энергии, так как энергия используется непосредственно на месте. Даже преобразование газа из горючего в водород происходит очень эффективно благодаря отсутствию промежуточных термомеханических этапов. Постоянная электрическая мощность модуля топливных элементов составляет 0,75 кВт. Таким образом, значительная часть потребности в электроэнергии может быть покрыта в любое время.
Vitovalor работает еще более эффективно в сочетании с системой накопления энергии Vitocharge. Она позволяет накапливать излишки энергии для периодов пиковой нагрузки, что значительно повышает независимость от поставщиков электроэнергии. В качестве альтернативы можно легко экспортировать избыточную энергию в общественную сеть. Встроенный энергоменеджер самообучается и поэтому оптимизирует уровень потребления электроэнергии на месте.
Проверенные и надежные: Технология топливных элементов от Viessmann и Panasonic
Для компании Viessmann было бы немыслимо внедрять инновации, не уделяя первостепенного внимания надежности и долговечности. Viessmann также полагается на проверенные технологии для систем отопления на топливных элементах. Именно поэтому они были разработаны в сотрудничестве с компанией Panasonic. Модуль топливных элементов Vitovalor поставляется японской компанией. Panasonic изготовил более 34 000 единиц в серийном производстве для японского рынка.
Технологии топливных элементов в общих чертах
Электролит в топливном элементе PEM состоит из пластиковой мембраны, которая пропускает только протоны. Топливный элемент PEM несложен, поскольку он обходится кислородом, содержащимся в воздухе. Не требуется сложных процессов фильтрации и очистки. Топливный элемент PEM может использоваться в стационарных и мобильных установках. Благодаря низкой температуре системы, этот топливный элемент может работать очень гибко и часто включаться и выключаться.
DMFC является дальнейшим развитием PEM. Вместо водорода он работает на метаноле. Поскольку метанол можно хранить и транспортировать так же, как бензин, он подходит для использования в транспортных средствах, а также в портативных источниках питания и в качестве замены батарей.
Твердооксидный топливный элемент полностью состоит из твердых частиц. В качестве электролита используется керамика. Топливный элемент SO может работать на природном газе без сложной модернизации газа. Для SOFC характерны длительные фазы разогрева, а также длительное время работы, поскольку из-за высокой температуры они могут выдержать только несколько циклов “старт-стоп” в течение срока службы. Поэтому SOFC подходит для приложений, допускающих почти непрерывную работу.
АФК – один из старейших типов топливных элементов. Для очистки реакционных газов – водорода и кислорода – требуются значительные усилия. Первоначально он использовался в основном в космических полетах – но уже в начале 1970-х годов его производство было в значительной степени прекращено.
PAFC – это топливный элемент, разработанный для крупных теплоэлектростанций и электросетей. Топливный газ, необходимый для работы, получают из природного газа. Кислород поступает непосредственно из воздуха.
Карбонатный топливный элемент создает температуру 650 °C и позволяет оптимально использовать отходящее тепло. MCFC работает непосредственно на природном газе и атмосферном кислороде. В основном он используется на крупных электростанциях энергоснабжающих предприятий.
Базовые знания: что такое водород?
Водород…
- является источником энергии с самой высокой плотностью энергии по весу
- химический элемент с символом
- состоит из протона и электрона
- имеет атомный номер 1 (он характеризует количество протонов в атомном ядре химического элемента – поэтому его также называют протонным числом)
- является самым распространенным химическим элементом во Вселенной
- не производит CO₂, поскольку H₂ не содержит углерода.
В следующем пояснительном видеоролике представлена информация о водороде как накопителе энергии будущего.
Водород почти не известен в нашей повседневной жизни. Напротив, о H₂ существуют предубеждения, основанные, в основном, на невежестве или ложной информации. Однако в качестве топлива он обладает многочисленными преимуществами.
Водород…
- не самовоспламеняется
- не разлагается (в отличие, например, от ацетилена)
- не окисляется и поэтому не является ускорителем горения
- не является токсичным, коррозийным или радиоактивным
- не имеет запаха
- не загрязняет воду
- не наносит вреда ни природе, ни окружающей среде
- не является канцерогенным
- горит без остатка
В ближайшие годы водород будет играть все более важную роль как топливо в автомобильном транспорте и как накопитель энергии в энергоснабжении. Уже сегодня водород в значительной степени используется для питания топливных элементов в транспортных средствах. Например, в автобусах для местного общественного транспорта. До сих пор здесь не было никаких инцидентов. В конце концов, водород безопасен – он не взорвется сам по себе. Для этого необходимо наличие окислителя (например, воздуха или чистого кислорода) и источника воспламенения (предел воспламенения в воздухе: от 4 до 75 процентов по объему).
Сравнение с другими видами топлива
В отличие от бензина или сжиженного нефтяного газа, водород, как и метан, легче воздуха. Он имеет самую высокую плотность энергии среди всех видов топлива – 33,33 кВтч/кг (в зависимости от массы; метан: 13,9 кВтч/кг, бензин: 12 кВтч/кг) и одну из самых низких плотностей энергии – 3,0 кВтч/Нм3 (в зависимости от объема; метан: 9,97 кВтч/Нм3, бензин: 8800 кВтч/м3).
