Введение к работе
Актуальность темы.
Как судовая, так и стационарная энергетика в настоящее время базируется главным образом на 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 z 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 - і раз меньше, чем у тепловых двигателей открытого цикла. Наиболее освоенными в технике к настоящему времени являются низкотемпературные водородно-кислородные топливные элементы. Работа водородно-кислородных топливных элементов не сопровождается опасными для окружающей среды вредными выбросами, поскольку продуктом электрохимической реакции в них является вода. 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 зоды 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 элекгролнзер воды, вырабатывающий водород и кислород, которые накапливаются в системах хранения 63К. 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 ее 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 метода получения водорода путём электролиза воды с использованием энергии ядерного реактора в условиях берегового заправочного комплекса
Задачи исследования
Поставленная цель достигается за счет.
тсхкико-экономического 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 f аГоты.
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 плотност и тока 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 ка 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 0996-1998 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 5 статей, ! 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.
Похожие диссертации на Получение водорода для нужд судовых энергетических установок с электрохимическими генераторами
