ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЛИЗНОГО ВОДОРОДА Российский патент 2023 года по МПК C25B1/42 C25B9/00 F01K13/00 F03B13/00 

Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике, в частности к гибридным электростанциям, и может быть использовано для производства электрической энергии и электролизного водорода с помощью экологически чистых возобновляемых источников энергии в виде морских приливов-отливов, энергии ветра и гидроэлектрической генерации в комбинации с технологиями традиционной тепловой энергетики.

Известны и широко применяются традиционные тепловые,

гидроаккумулирующие электрические станции (ГАЭС) различной мощности и ветряные установки - ветряные парки (ВЭС), строительство и эксплуатация которых приурочено к местам, где имеются подходящие для этого места и окружающие условия. Ведутся также работы и по расширению области использования приливных электрических станций (ПЭС) на основе большого энергетического потенциала явлений приливов-отливов.

Известна электролитическая ячейка для генерации чистого водорода из природного углеводородного топлива [RU 2734310, 14.02.2020 С25В 1/10], содержащая протонпроводящий керамический электролит и слои электродов из того же материала с добавкой никеля, в которой электролит и электроды выполнены на основе скандата лантана, допированного стронцием. К числу недостатков известного аналогичного решения относится ориентация его только на природный углеводородосодержащий газ в качестве исходного сырья для получения чистого водорода и необходимость применения дорогостоящих электролитов и редкоземельных материалов катализаторов для изготовления электродов электролитической ячейки.

Из уровня техники известны гибридные тригенерационные энергетические комплексы, использующие возобновляемые источники солнечной и ветровой (ветряной) энергии и включающие производство с накоплением энергии, процесс теплового нагрева и/или охлаждения с помощью встроенных в теплообменный контур компонентов, установленных для распределенной генерации при автономном энергоснабжении [RU 2732932, 24.09.2020 F03B 13/00]. К недостаткам известных гибридных энергетических комплексов тригенерации относится непостоянство и низкий уровень производства и накопления электрической энергии в пределах суточного цикла, включая и более длительные промежутки времени.

Известна низконапорная ортогональная турбина [RU 2391554, 05.02.2009 F03B 3/00], предназначенная для применения на приливных и низконапорных речных гидроэлектростанциях, а также на волновых электростанциях и ветроэлектростанциях с концентраторами ветряной энергии. Ортогональная турбина включает ротор с лопастями крыловидного профиля, который установлен поперек проточной камеры. Главным недостатком известной турбины является достаточно низкий коэффициент полезного действия (порядка 0,6-0,7) при значительных габаритных размерах.

Известна подводная приливная электростанция [RU 2579283, 15.04.2016 F03B 13/26], включающая гидрогенератор, состоящий из гидротурбины лопастного типа и электрического генератора, размещенных в герметичном корпусе, а также преобразователь частоты, размещенный на берегу и через который он электрическим кабелем связан с генератором электрической энергии. Недостатки аналога (прототипа) заключаются в достаточно низкой единичной мощности гидрогенератора, необходимости использования большого их количества при создании приливных электростанций большой мощности, что ведет к большой стоимости электростанций и высокой себестоимости вырабатываемой на них электрической энергии. Кроме того, при этом не обеспечиваются возможности комбинированного использования других первичных источников экологически чистой возобновляемой энергии, в частности, ветряной и гидроаккумулирующей генерации. Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является устройство для электролиза воды [RU 2730288, 21.08.2020 С25В 1/10] (прототип), содержащее корпус и электролитическую ячейку с ионообменной мембраной, расположенную между катодом и анодом, резервуар воды с предварительным ее нагревом, а также контрольно- измерительные и управляющие блоки для непрерывного получения и отвода водорода и кислорода в ходе процесса электролиза воды. К недостаткам известного аналогичного решения (прототипа) относится то, что в нем совсем не обеспечивается требуемая при электролизе высокая степень очистки (опреснения) исходной воды от солей примесных компонентов, а процесс электролиза (разложения) воды осуществляется при относительно низких температурах, что в конечном итоге отрицательно сказывается на энергоэффективности и производительности устройства. В этом решении к тому же совсем не рассматривается и не решены вопросы получения, а также экологически чистого и эффективного использования первичной энергии, расходуемой на выработку электрической энергии, необходимой для работы устройства электролиза воды.

Существенным признаком предлагаемого энерготехнологического комплекса, совпадающим с признаками аналога (прототипа), является использование электролиза воды в электролитической ячейке с ионообменной мембраной, расположенной между катодом и анодом, для производства чистого водорода.

Целью (задачей) предлагаемого изобретения является снижение себестоимости производства чистого водорода за счет использования возобновляемых источников и оборудования для выработки электрической энергии (ВИЭ) в комбинации с традиционными технологиями ее получения, при одновременном обеспечении возможности применения в процессе получения водорода более дешевых и доступных источников первичной энергии, а также ресурсов исходной воды для ее электролиза. Достижение технического результата обеспечивается существенными отличительными признаками, заключающимися в том, что электролиз деионизированной воды производится из обессоленной (очищенной) воды в условиях высокой температуры водяного пара путем его генерации за счет широкодоступных источников первичной энергии традиционной энергетики, а электрическая мембранная деионизация очищенной воды и последующий подогрев вырабатываемого из нее пара до высокой температуры осуществляется электрическим путем с использованием электроэнергии, вырабатываемой на приливно-ветряной гидроаккумулирующей электрической станции за счет возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Предлагаемое изобретение изображено и поясняется иллюстрацией, представленной на фиг. 1, где показаны: 1 - теплоэлектрическая станция традиционной тепловой энергетики; 2 - приливно-ветряная гидроаккумулирующая электрическая станция; 3 - генератор тепловой энергии в виде парового или водогрейного котла, камера сгорания газотурбинной или газопоршневой энергоустановки»; 4 - преобразователь тепловой энергии в механическую энергию; 5 - электрический генератор; 6 - первичный энергоноситель (топливо); 7 - питательная вода для выработки промежуточного рабочего тела - водяного пара или горячей воды носителя тепловой энергии; 8 - устройство обессоливания (опреснения) и деионизации воды; 9 - исходная вода для выработки рабочего тела устройства электрической конверсии воды в смесь водорода и кислорода; 10 - дистилляционный опреснитель исходной воды; 11 - установка электромембранной (электродиализной) фильтрации очищенной воды; 12 - паропровод (тракт) передачи тепловой энергии; 13 - парогенераторный подогреватель деионизированной (очищенной) воды; 14 - электрический высокотемпературный нагреватель низкопотенциального пара очищенной воды; 15 - электрические линии подачи (выдачи) электроэнергии от возобновляемых источников энергии; 16 - тракт высокотемпературного пара деионизированной очищенной воды; 17 - устройство высокотемпературного электролиза водяного пара (электролизер); 18 - тракт (канал) выдачи водорода; 19 - тракт (канал) отвода кислорода; 20 - плазмотроны розжига и стабилизации горения исходного топлива; 21 - электрические линии подачи электроэнергии от традиционной теплоэлектрической станции; 22 - конструктивно-технологический контур-параметр традиционной теплоэлектрической станции. Предлагаемый энерготехнологический комплекс выполнен в виде двух как бы автономных электрических станций, а именно в виде существующей или вновь создаваемой традиционной тепловой электрической станции (ТЭЦ) 1 и приливно-ветряной гидроаккумулирующей электрической станции (ПВГАЭС) 2. Традиционная ТЭЦ 1, например, с простейшим паросиловым (паротурбинным) циклом преобразования энергии имеет генератор тепловой энергии в виде парового или водогрейного котла 3, а также преобразователь тепловой энергии в механическую энергию (паровую турбину) 4 с электрическим генератором 5. Для преобразования химической энергии топлива 6 в котел подается одновременно и питательная вода 7. Вырабатываемые здесь тепловая и электрическая энергии поступают соответственно на один из входов устройства обессоливания (опреснения) и деионизации воды 8, на другой вход которого поступает и исходная вода 9 для выработки рабочего тела устройства электрической конверсии воды в смесь водорода и кислорода. Устройство опреснения воды 8 содержит и установку электромембранной (электродиализной) фильтрации очищенной воды 11. Тепловая энергия от котла (генератора) 3 на дистилляционный опреснитель исходной воды 10 устройства опреснения воды 8 подается по паропроводу (тракту) передачи тепловой энергии 12. Выход устройства обессоливания (опреснения) и деионизации воды 8 соединен с одним из входов парогенераторного подогревателя деионизированной (очищенной) воды 13, на другой вход которого поступает по паропроводу (траку) 12 и тепловая энергия от котла (генератора) 3. Традиционная ТЭЦ 1 снабжена также электрическим высокотемпературным нагревателем низкопотенциального пара очищенной воды 14, подключенным к выходу парогенераторного подогревателя деионизированной (очищенной) воды 13, а другой вход подогревателя 14 соединен электрической линией подачи (выдачи) электроэнергии 15 от приливно-ветряной гидроаккумулирующей электрической станции 2. На ТЭЦ 1 к электрическому подогревателю 15 с помощью тракта высокотемпературного пара деионизированной очищенной воды 16 подключается также устройство высокотемпературного электролиза водяного пара (электролизер) 17, имеющий водородный 18 и кислородный 19 выходы (каналы) для выдачи, включая и собственные нужды энерготехнологического комплекса, продуктов высокотемпературного электролиза водяного пара в виде чистого водорода и кислорода. Кроме того, традиционная ТЭЦ 1 снабжается также плазмотронами 20, которые запитываются по электрическим линиям 15 от приливно-ветряной гидроаккумулирующей электрической станции 2. Энергия плазмотронов 20 используется для розжига и стабилизации горения топлива (при необходимости) в генераторе (котле) 3. Далее, вход установки электромембранной (электродиализной) фильтрации очищенной воды 11 устройства обессоливания (опреснения) и деионизации воды 8 подключен к электрической линии подачи (выдачи) электроэнергии 15 от приливно-ветряной гидроаккумулирующей электрической станции 2, а электролизер 17 с целью резервирования соединен электрической линией подачи электроэнергии 21 с электрическим генератором 5 от традиционной теплоэлектрической станции 1. В предлагаемом энерготехнологическом комплексе традиционные ТЭЦ могут иметь различные конструктивно-технологические и другие особенности и отличия в исполнении (большие, мини, стационарные или мобильные, наземные или плавучие и т.д.), что отмечается на фигуре 1 конструктивно-технологическим контур-параметром, показанным позицией 22.

Работа предлагаемого энерготехнологического комплекса в целом ясна из вышеизложенного и не требует дальнейшей детализации, поскольку базируется на достаточно апробированных и освоенных физико-химических процессах и технико-технологических решениях. В качестве существенных дополнений при этом следует привести только несколько следующих замечаний. Во-первых, несмотря на то, что сегодня объемы производства электролизного водорода в мировой энергетике в настоящее время составляют всего лишь несколько процентов от его мирового производства, именно электролиз высокотемпературного водяного пара считается наиболее перспективным направлением в развитии водородной энергетики. Это обусловлено тем, что переход к более широкому использованию возобновляемых источников энергии при производстве электрической энергии становится все более востребованным, как и тем обстоятельством, что водород уже и так достаточно широко используется на традиционных теплоэнергетических станциях, в частности, в системах водородного охлаждения электрических генераторов. Во-вторых, важнейшей составляющей предлагаемого энерготехнологического комплекса является приливно-ветряная гидроаккумулирующая электрическая станция (ПВГАЭС), которая во многом является привязанной к тем местам на морских акваториях, где имеют место заметные (судя по высоте приливных волн) проявления приливов-отливов. Поэтому представляется, что в качестве исходной воды для высокотемпературного электролиза наиболее целесообразно использовать саму морскую воду с принятыми в предлагаемом энерготехнологическом комплексе техническими решениями, описанными выше. В-третьих, в работе предлагаемого энерготехнологического комплекса используется электродеионизация, являющаяся непрерывным процессом деминерализации воды с использованием ионообменных смол, ионселективных мембран и постоянного электрического поля. Это безреагентная, практически бессточная и малогабаритная технология получения высокочистой воды электрическим сопротивлением свыше 10 МОм/см, что является решающим как с точки зрения электролиза при получении водорода, так и с позиций функционирования такого важного и достаточно сложного предлагаемого энерготехнологического комплекса.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является то, что вырабатываемый водород на предлагаемом энерготехнологическом комплексе может быть зеленым, голубым и/или серым и иметь тот или иной уровень углеродного следа в зависимости от того какого вида первичная (исходная) энергия будет использоваться для производства водорода, а также от технологий и оборудования для генерируемой при этом тепловой и электрической энергии. В ряде случаев по условиям рыночной конъюнктуры и некоторым другим обстоятельствам, например, исходя из условий применения и требований дислокации энерготехнологического комплекса, может оказаться целесообразным чтобы и его теплогенерирующее оборудование полностью работало на производимом водороде. Для этого генератор тепловой энергии 3 традиционной теплоэлектрической станции 1 выполняется в виде водородной газотурбинной, газопоршневой энергоустановки, включая даже и в виде энергоустановки на водородных топливных элементах.

Предлагаемый энерготехнологический комплекс обеспечивает производство электроэнергии и чистого водорода с использованием возобновляемых источников энергии и возможности получения существенных коммерческих результатов при интенсивно формирующемся в мире глобальном энергопереходе к малоуглеродной и зеленой энергетике.

Использованные источники

1. Патент РФ №2730288 от 21.08.2020 г. Электролитическая ячейка для генерации чистого водорода из природного углеводородного топлива. - Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (RU) / Авторы: Ананьев М.В., Кузьмин А.В., Осинкин Д.А., Тропин Е.С., Строева А.Ю., Фарленков А.С., Власов М.И., Лесничева А.С., Плеханов М.С., Солодянкина Д.М., Иванов А.В.

2. Патент РФ №2391554 от 05.02.2009 г. Низконапорная ортогональная турбина. - Патентообладатели: Историк Борис Львович RU), Шполянский Юлий Борисович (RU) / Авторы: Историк Б.Л., Шполянский Ю.Б.

3. Патент РФ №2579283 от 15.04.2016 г. Подводная приливная электростанция. - Патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "Санкт-Петербургская электротехническая компания" (RU) / Авторы: Народицкис Александре, Кириллов Н.Г., Зинкевич И.Н.

4. Патент РФ №2732943 от 24.09.2020 г. Тригенерационный энергетический комплекс. - Патентообладатель: ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ" (RU) / Авторы: Волков А.В., Парыгин А.Г., Рыженков А.В., Дружинин А.А.

5. Патент РФ №2734310 от 14.02.2020 г. Устройство для электролиза воды. - Патентообладатель: ЛИНЬ ХСИН-ЮЙНГ (CN) / Автор: ЛИНЬ ХСИН-ЮЙНГ (CN) (прототип).

Изобретение относится к энерготехнологическому комплексу производства электролизного водорода, содержащему теплоэлектрическую станцию традиционной тепловой энергетики, приливно-ветряную гидроаккумулирующую электрическую станцию и устройство высокотемпературного электролиза водяного пара - электролизер. Комплекс характеризуется тем, что снабжен устройством обессоливания и деионизации исходной воды, включающим дистилляционный опреснитель с установкой электромембранной фильтрации очищенной воды, выход которой подается на один из входов парогенераторного подогревателя, соединенного другим входом с выходом генератора тепловой энергии традиционной теплоэлектрической станции, выход установки электромембранной фильтрации очищенной воды соединен с одним из входов электрического высокотемпературного нагревателя низкопотенциального пара деионизированной очищенной воды, на другой вход которого подается электрическая энергия от приливно-ветряной гидроаккумулирующей электрической станции, выход электрического высокотемпературного нагревателя соединен с одним из входов устройства высокотемпературного электролиза водяного пара, на другой вход которого поступает электрическая энергия от приливно-ветряной гидроаккумулирующей электрической станции и/или от электрического генератора теплоэлектрической станции, оборудование которой запитывается от водородного выхода устройства высокотемпературного электролиза, а один из входов генератора тепловой энергии тепловой электрической станции через плазмотроны подключен к выходу приливно-ветряной гидроаккумулирующей электрической станции, соединенному также и со входом установки электромембранной фильтрации очищенной воды. Техническим результатом является то, что вырабатываемый водород на предлагаемом энерготехнологическом комплексе может быть зеленым, голубым и/или серым и иметь тот или иной уровень углеродного следа в зависимости от того какого вида первичная (исходная) энергия будет использоваться для производства водорода, а также от технологий и оборудования для генерируемой при этом тепловой и электрической энергии. 1 ил.

Энерготехнологический комплекс производства электролизного водорода, содержащий теплоэлектрическую станцию традиционной тепловой энергетики, приливно-ветряную гидроаккумулирующую электрическую станцию и устройство высокотемпературного электролиза водяного пара - электролизер, отличающийся тем, что комплекс снабжен устройством обессоливания и деионизации исходной воды, включающим дистилляционный опреснитель с установкой электромембранной фильтрации очищенной воды, выход которой подается на один из входов парогенераторного подогревателя, соединенного другим входом с выходом генератора тепловой энергии традиционной теплоэлектрической станции, выход установки электромембранной фильтрации очищенной воды соединен с одним из входов электрического высокотемпературного нагревателя низкопотенциального пара деионизированной очищенной воды, на другой вход которого подается электрическая энергия от приливно-ветряной гидроаккумулирующей электрической станции, выход электрического высокотемпературного нагревателя соединен с одним из входов устройства высокотемпературного электролиза водяного пара, на другой вход которого поступает электрическая энергия от приливно-ветряной гидроаккумулирующей электрической станции и/или от электрического генератора теплоэлектрической станции, оборудование которой запитывается от водородного выхода устройства высокотемпературного электролиза, а один из входов генератора тепловой энергии тепловой электрической станции через плазмотроны подключен к выходу приливно-ветряной гидроаккумулирующей электрической станции, соединенному также и со входом установки электромембранной фильтрации очищенной воды.