Эффективность использования топливных элементов в жилом секторе

Системы на основе топливных элементов

Системы на основе топливных элементов обладают высоким коэффициентом полезного действия и минимизируют вредное воздействие на окружающую среду. На фоне растущего спроса на технологии малой энергетики такие системы все чаще выбираются за рубежом в качестве бытовых источников энергоснабжения. Проектировать систему на базе топливных элементов правильнее всего на основании реальных данных по годовой энергетической нагрузке, которую можно разделить на электрическую и тепловую.

Природный газ является наиболее доступным источником энергии для топливного элемента. Топливные элементы, работающие на природном газе, обладают пониженной энергоэффективностью при работе с частичными нагрузками: они требуют предварительного нагрева и не способны быстро реагировать на переменную нагрузку. В табл. 1 приведены общие свойства бытовой установки на базе топливных элементов.

Таблица 1. Общие свойства установки на топливных элементах, применяемой в жилом доме.

Выработка энергии, кВт ч электрической 1,0 тепловой 1,3 Энергоэффективность (КПД), % по электричеству 34,0 по теплу 44,0 Источник энергии: природный газ; Габариты: высота 800 мм, ширина 500 мм, глубина 580 мм

Различные системы на базе топливных элементов

В литературных источниках предлагается и анализируется несколько систем на базе топливных элементов. В жилых домах можно использовать как твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC), так и топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC).

Сравнение систем энергоснабжения

Предложен метод сравнения системы энергоснабжения на базе топливных элементов с традиционной системой теплоснабжения. Системы на базе топливных элементов были спроектированы для одинаковых типовых зданий, расположенных в четырех климатических зонах, характеризующихся разным количеством градусо-суток отопительного периода (ГСОП) и периода охлаждения (ГСОхП) (табл. 2). В каждой из рассматриваемых зон отмечены преимущества использования топливных элементов: низкие эксплуатационные расходы и небольшие объемы выбросов СО₂, что обусловлено экономичным потреблением и более эффективным использованием природного газа.

СПРАВКА

Принцип работы топливного элемента (газовой батареи): в процессе электрохимической реакции водорода и кислорода происходит образование молекул воды и при этом выделяется тепловая и электрическая энергия.

Ежегодное энергопотребление было определено для среднего пользователя и включало энергозатраты на отопление, охлаждение, горячее водоснабжение и использование электрической энергии бытовыми приборами. Экономия эксплуатационных расходов и снижение выбросов СО₂ рассчитывались на каждый год и 15-летний период. В расчетах на долгосрочный период использовался метод расчета чистых дисконтированных затрат. Объемы выброса СО₂ рассчитывались с использованием международных данных по углеродному следу (carbon footprint). Срок окупаемости определялся при помощи простого (бездисконтного) метода.

Таблица 2 Характеристика климатических зон

ЗОНА ГСОП, град-сут. ГСОхП, град-сут. Количество дней с температурой наружного воздуха ниже –15 °С выше 22 °С 1 – теплый климат 983 627 130 137 2 – умеренный климат 1 702 169 186 88 3 – холодный климат 2 327 165 204 68 4 – континен- тальный климат 4 665 286 286 5

Исходные условия исследований

Исследуемое здание представляет собой типичный двухэтажный жилой дом площадью 206 м², рассчитанный на четырех человек. Ежедневное потребление электроэнергии составляет 16 кВт•ч, а среднее потребление горячей воды – 300 л/сут.

Традиционная система теплоснабжения включает конденсационный котел для отопления и бытового горячего водоснабжения, а также холодильную установку для кондиционирования воздуха. Для отопления и охлаждения в рассматриваемом здании используются доводчики (фэнкойлы). Электроснабжение обеспечивается городскими сетями.

Внедряемая в рассматриваемое здание система энергоснабжения на базе топливных элементов, работающих на природном газе, включает тепловой насос для отопления и ГВС, охлаждения и предусматривает выработку электрической энергии (рис. 1), в том числе для работы теплового насоса. Во время работы выделяется углерод. Весь процесс заключается в использовании природного газа для производства электроэнергии.

Рисунок 1. Схема системы энергоснабжения жилого дома на базе топливных элементов

Расчет нагрузок по отоплению и охлаждению проводился посредством программы почасового анализа (Hourly Analysis Program – HAP) на основании регистрируемых данных. HAP – это программное обеспечение для энергетического моделирования, получившее мировое признание и использующее стандарты ASHRAE. Анализ полученных результатов

Тепловые нагрузки существенно различаются в зависимости от климатической зоны (рис. 2). В зонах 3 и 4 с континентальным климатом годовая нагрузка по отоплению выше, чем для зон 1 и 2. И наоборот, благодаря более теплому климату охлаждение становится важнее, чем отопление в зонах 1 и 2.

Рисунок 2. Месячные нагрузки по отоплению / охлаждению, рассчитанные при помощи программы HAP

Экономия определяется разницей в эксплуатационных расходах между традиционной системой и системой на базе топливных элементов и является прямой функцией от величины нагрузок по отоплению и охлаждению (рис. 3). Технология на базе топливных элементов более выгодна в континентальном климате, что обусловлено нагрузкой по отоплению. В умеренных климатических зонах выгода от применения топливных элементов зависит от потребности в охлаждении.

Рисунок 3. Снижение эксплуатационных расходов (экономия) при использова- нии системы на базе топливных элементов

Системы на топливных элементах значительно влияют на объем выбросов углерода. Кроме того, с увеличением потребности в тепловой нагрузке количество выбросов СО₂ растет, поэтому континентальные зоны, где более низкие зимние температуры и длительный отопительный период, характеризуются большими выбросами углерода. Окупаемость инвестиций и величина экономии от использования системы энергоснабжения на базе топливных элементов различаются из-за климатических условий (табл. 3). Однако если срок окупаемости приемлем в континентальном климате, это будет верно и для очень жаркого климата. В умеренных климатических зонах срок окупаемости больше, и на данный момент такие системы сложно реализовать.

Таблица 3. Экономические показатели использования системы энергоснабженипя на топливных элементах (годовые и на 15-летний период).

Климат Тип системы Инвестиции ($) Экспл. расходы ($/15 лет) Чистая текущая стоимость ($/15 лет) Бездис- контный период окупаемости ($/год) Углерод- ный след (кг СО2/15 лет) Период окупа- емости, лет Зона 1 Традиционная 5 110 32 937 14 190 2 196 162 300 11,7 Топл. элемент 16 940 17 826 7 680 1 189 86 550 Экономия -11 830 15 111 6 510 1 007 75 750 Зона 2 Традиционная 5110 30930 12990 2063 141990 12,2 Топл. элемент 16940 16405 6888 1094 86295 Экономия -11830 14525 6102 969 55695 Зона 3 Традиционная 5110 35566 15323 2371 174150 9,6 Топл. элемент 16940 17148 7388 1143 84900 Экономия -11830 18418 7935 1228 89250 Зона 4 Традиционная 5110 46297 19946 3087 225150 6,6 Топл. элемент 16940 19535 8416 1302 96450 Экономия -11830 26762 11530 1785 128700

Выводы

В результате исследования подтверждена эффективность новой технологии – системы на базе топливных элементов, которая применялась в жилом доме. Система энергоснабжения на базе топливных элементов оказалась более эффективной, чем традиционная. Эксплуатационные расходы уменьшились приблизительно на 50 %. Еще один важный момент – снижение объемов выбросов углерода.

Обсуждались вопросы экономической доступности данной технологии и в результате сделан вывод, что бытовое применение системы на базе топливных элементов осложняется ее дороговизной. На протяжении последних лет активно ведутся работы по ее усовершенствованию, и в ближайшем будущем ожидается снижение ее стоимости.

Статья подготовлена по материалам журнала «The REHVA European HVAC Journal», № 51/2, март 2014 года