Отчет о научно-исследовательской работе Электрохимические источники для возобновляемой энергетики

Тематика проекта включает следующие направления: Направление 1. Поиск и исследование новых материалов для создания эффективных источников энергии; Направление 2. Разработка новых материалов для топливных элементов и электролизеров, систем хранения энергии на основе водородного цикла; Направление 3. Моделирование и экспериментальные исследования взаимодействия нескольких накопителей и ВИЭ, работающих синхронно; Направление 4. Разработка систем хранения энергии для ВИЭ с учетом графиков генерации и потребления энергии в условиях Сахалина. Проведение научных исследований по вышеперечисленным направлениям ориентируется на достижение результатов науки в этих областях. По направлению 1 виды объектами исследования были материалы для эффективных источников энергии (классификация, принцип работы, материалы, методы исследования). По направлению 2 объектом исследования были интерметаллические соединения для топливных элементов. По направлению 3 объектами исследования было моделирование твердооксидного и твердополимерного электролизеров воды, течений воды с пузырьками кислорода в проточных полях водного электролизера, процессов получения водорода методом конверсии природного газа, биогаза и продуктов пиролиза биомассы. По направлению 4 объектом исследования были процессы генерации и потребления электроэнергии локальной энергосистемы на примере пос. Новиково Сахалинской области. Целью работы по направлению 1 было определение круга новых материалов и изучение их свойств, определяющих эффективность генерации энергии по научным публикациям. Целью работы по направлению 2 являлись сбор и анализ научной литературы в области интерметаллидов для применения в топливных элементах. Цель работы по направлению 3 – моделирование процессов работы электролизеров и процессов получения водорода методом конверсии природного газа, биогаза и продуктов пиролиза биомассы. По направлению 4 целью были обоснование и разработка принципиальной схемы включения систем накопления электроэнергии на основе ВИЭ в схему электрических соединений объектов электроэнергетики ВДЭС «Новиково». В ходе работы: - На основе литературных данных разработаны конкретные направления проведения экспериментальной работы и подобраны объекты исследования. - Показана перспективность использования металлогидридных соединений различных AnBm типов в качестве анодных соединений различных электрохимических устройств, в том числе щелочных топливных элементов. Модификация состава (частичное замещение основных элементов) и обработка поверхности сплавов позволяет улучшить свойств таких материалов. Поэтому для практического применения необходимо проведение дальнейших исследований по разработке эффективных электродных материалов на основе металлогидридных сплавов. - В программном обеспечении COMSOL Multiphysics построены мультифизические двумерные модели твердополимерного и твердооксидного электролизеров воды и течений воды с пузырьками кислорода в проточных полях таких устройств. Для твердооксидного электролизера оптимизирован тип рабочей конструкции и показано, что при рабочей температуре 800 °C и плотностях тока менее 1.5 А/см2 более эффективно работает катод-несущая конструкция, а максимальный ток при напряжении 2 В достигается при толщине катода 300 мкм и толщине анода 90 мкм. Для модели твердополимерного электролизера, учитывающей двухфазный транспорт на аноде, показано, что увеличение температуры с 20 до 80 °C повышает скорость генерации водорода на 64% при рабочем напряжении 2 В. - Показано, что проточные поля электролизера воды серпантинного типа имеют значительно большое гидравлическое сопротивление – перепад давлений между ходом и выходом в 14–19 раз больше, чем для решетчатых проточных полей. В серпантинных проточных полях отсутствует проблема с загазованностью электрода – максимальные объемные доли кислорода 0.62–0.65. Поэтому серпантинные проточные поля являются более эффективными, но требует на порядок большего перепада давлений между входом и выходом, для чего требуется осуществить подбор размеров каналов путем моделирования в составе электролизного блока. - Проведена термодинамическая оценка конверсии метана и биогаза, а также продуктов пиролиза биомассы с получением водородсодержащего газа. Исследованы режимы воздушной и паровоздушной конверсии метана, биогаза и пиролизных смол с адиабатической температурой горения не ниже 1300 К: при воздушной конверсии метана максимальная объемная концентрация водорода и монооксида углерода в продуктах составляет соответственно 18.24% и 11.39%; в случае биогаза 17.7% и 14.5%, в случае пиролизных смол 28.67% и 38.94%. Добавление в исходный состав топлива 5% пара ведет к уменьшению адиабатической температуры и объемных содержаний CO и H2. Положительным следствием добавления пара является повышение отношения [H2]/[CO], что служит преимуществом при применении полученного водородсодержащего газа в синтезе Фишера-Тропша или при получении метанола. - Построены графики генерации электроэнергии на основе рассчитанных данных с учетом ветровой нагрузки и модели ВЭУ на примере энергорайона «Новиково» (о. Сахалин). Показано, что для использования ВЭУ в рассматриваемом энергорайоне в качестве основного источника электроэнергии необходимо увеличение количества ВЭУ. Составлена электрическая схема включения альтернативных источников энергии на основе ВИЭ для проведения дальнейших расчетов по запасанию электроэнергии.