Основные сферы их использования - транспорт и выработка электроэнергии. Сегодня они незаменимы там, где нет централизованного электроснабжения или требуется обеспечить безаварийный режим работы оборудования.
С транспортом, особенно большегрузным, всё понятно. Здесь дизельный мотор пока не имеет серьезных альтернатив. Но в генерации электроэнергии ситуация иная и альтернатива уже есть. Это генератор электроэнергии на топливных элементах. Обе технологии имеют как плюсы, так и минусы. Давайте спокойно во всем разберемся...
Дизель генератор
Электрический генератор известен Человечеству со времен Фарадея, который в 1831 году открыл закон электромагнитной индукции. Именно он лег в основу всех электрических генератов, сначала паровых, а затем и дизельных.
Современный дизельный генератор состоит из двух частей - дизельного двигателя и электрической машины. Дизель крутит динамомашину с постоянной скоростью, та вырабатывает электроэнергию, которая затем преобразуется в привычные нам 220 Вольт 50 Герц. Ничего сложного, этой технологии уже более 100 лет.
Дизельные генераторы применяются очень широко. Больницы, стройки, промышленные предприятия, МЧС, армия, современные здания, частные дома, жилая инфраструктура крайнего Севера, Сибири, Дальнего Востока - всё это невозможно без дизельных генераторов. Технология имеет существенные плюсы, вот основные три:
- низкая стоимость и лёгкость доставки дизельного топлива,
- неприхотливость к качеству топлива,
- относительная надёжность.
Одновременно у дизельных генераторов целая куча недостатков. Вот самые фундаментальные, которые невозможно обойти:
- низкий КПД (около 30%),
- материалоемкость,
- необходимость постоянного обслуживания. Так у энергоустановок на базе поршневых ДВС, интервалы между техническим обслуживанием - 250-500 моточасов. Стоимость капитального ремонта достигает 70-100% от первоначальных затрат на приобретение,
- неэкологичность, шумность.
В России размещено сегодня примерно 49000 электрогенераторов общей мощностью 17 ГВт (8% от всей установленной мощности электростанций России), работающих как в энергосистемах, так и автономно (средняя установленная мощность - 0,36 МВт).
Общая годовая выработка электроэнергии на этих станциях достигает 5% от всей произведенной электроэнергии. И это не считая генераторов в личном пользовании!
Для сравнения выберем устройство АД24-Т400Р средней мощности, достаточной для питания небольшой клиники, сельской школы, цеха, склада. Оно имеет след. технические характеристики:
Электрическая мощность 24 кВт
Выходное напряжение 380 Вольт 50 Герц
Расход топлива 5,5 л/час
Габариты 1750х850х1200
Вес 600 кг.
Цена 5660 USD
Дизельный двигатель - китайский атмосферник YangDong с классической топливной системой c насосом высокого давления (ТНВД). Двигатель оборудован системой непосредственного впрыска топлива, системой жидкостного охлаждения, регулятором частоты вращения для поддержания постоянной выходной частоты электрического тока, имеет электростартер и зарядный генератор.
Существует ли какая-нибудь альтернатива на современном рынке? Да, существует...
Генератор на топливных элементах
Относительно новый класс устройств, который стремительно развивается последнее время. Для этой технологии характерно своеобразное использование углеводородного топлива. Оно не сжигается, а просто окисляется кислородом воздуха, производя воду и электроэнергию. В качестве топлива используется природный газ или чистый водород. Топливные элементы даже нельзя назвать механизмами, в них ничего не крутится и не движется.
Топливные элементы имеют неоспоримые плюсы:
- высокий КПД (70-80%),
- бесшумность,
- экологичность,
- низкие затраты на обслуживание.
Минусы тоже имеются:
- высокая стоимость,
- высокая чувствительность к чистоте исходного топлива (газа).
Высокая стоимость топливных элементов обусловлена применением редкоземельных металлов - иттрия, скандия, церия. Широко применяется также висмут.
Добыча и производство этих металлов (кроме висмута) сосредоточено в основном в Китае. Так металлического иттрия добывается примерно 8900 тонн в год, церия - 24000 тонн, скандия - 8 тонн.
Для примера выберем генератор электроэнергии Redox Cube на твердооксидных топливных элементах. Его технические характеристики:
Электрическая мощность 25 кВт
Выходное напряжение 380 Вольт 50 Герц
Расход природного газа или пропана 25 л/мин.
Выработка воды 7,5 л/ч.
Шум менее 70dB
Габариты 1000х1000х1400
Вес 450 кг.
Цена 25000 USD
Генератор выбрасывает в атмосферу 335-360 кг. двуокиси углерода (СО2) и 215-235 кг. окиси углерода (СО) на мегаватт выработанной энергии. Остальные вещества (окиси азота, серы) выбрасываются в незначительных количествах. Это примерно в два, три раза меньше любого дизельного мотора.
Генераторы на топливных элементах находят применение везде, где есть устойчивое газоснабжение и строги экологические требования - в городах. Так подобными генераторами оснастили свою инфраструктуру такие компании как Microsoft, Sysco, Walmart, Coca-Cola и др. Они используют топливные элементы не только для выработки необходимой электроэнергии, но и для получения горячей дистиллированной воды, которая сначала обогревает помещения, а затем используется по назначению. На практике 400 кВт система экономит приметно 4,8 миллиона литров воды в год, при КПД около 80%.
Впрочем перейдем к сравнению представленных выше устройств. Сравним их потребление:
- Дизельный генератор ~ 5,5 л/час (солярка),
- Генератор на топливных элементах ~ 6 л/час (сжиженный пропан).
Стоимость дизельного топлива в примерно два раза выше стоимости жидкого пропана 32 руб./л и 17 руб./л соответственно. Отсюда вытекает более чем двухкратная экономия. Это если использовать привозной, сжиженный газ. Если же генератор подключен к магистральному газопроводу, экономия будет еще больше. Посчитаем:
25 л/мин = 1500 л/час = 1,5 куб.м./час или 7,5 руб/час (тариф 5 руб/куб.м.)
Денежные затраты будут таковы:
- Дизельный генератор ~ 176 руб./час (солярка),
- Генератор на топливных элементах ~ 100 руб./час (сжиженный пропан),
- Генератор на топливных элементах ~ 7,5 руб./час (магистральный газ).
Впечатляет? А теперь сравним стоимость выработанной электроэнергии:
- Дизельный генератор ~ 7 руб./кВтч (солярка),
- Генератор на топливных элементах ~ 4 руб./кВтч (сжиженный пропан),
- Генератор на топливных элементах ~ 0,3 руб./кВтч (магистральный газ),
- Тариф на электроснабжение (Московская обл.) ~ 3 руб./кВтч.
Легко заметить, что получение электроэнергии с помощью генератора на топливных элементах - сверхвыгодное занятие. Экономия в десять раз даже по сравнению с централизованным электроснабжением. В этой связи, затраты на новые технологии могут показаться не такими уж катастрофическими. При мощности 25 кВт., инвестиции окупятся уже через 2-3 года.
