Топливные элементы и тригенерация

Топливный элемент превращает газ в электричество без сжигания и с высоким электрическим КПД, 30–63 % по каталогу американского агентства EPA (2017). Полный КПД с утилизацией тепла 55–80 %, мощность коммерческих установок 0,2–2,8 МВт. Для тригенерации решает другое: тепло у разных элементов разное, и не всякое годится для абсорбционной машины (АБХМ). Сравнение с другими двигателями на странице «Виды тригенерации».

Какое тепло даёт топливный элемент?

По каталогу EPA топливные элементы дают горячую воду или пар низкого давления (менее 30 psig, то есть около 2 бар избыточных). Элементы типов PEMFC и DMFC выдают воду ниже 200 °F (около 93 °C), это тепло «низкого качества». Высокотемпературные SOFC и MCFC дают пар до примерно 150 psig (около 10 бар).

Из этого следует главное ограничение. Отчёт ICF для ORNL (DOE, 2009) пишет, что топливные элементы PEM не годятся для привода даже одноступенчатой абсорбционной машины: температуры не хватает. Для холода выбирают высокотемпературные типы. Выхлоп с температурой 380 °C, как у установки в Мюнхене ниже, уже подходит машине на выхлопных газах.

Чем топливный элемент отличается от других двигателей?

По капитальным затратам топливные элементы в каталоге EPA самые дорогие среди всех типов двигателей, а затраты на обслуживание 0,032–0,038 долларов за кВт·ч выше, чем у остальных. Продолжительный пуск означает, что быстро запустить установку после остановки не получится. В США топливные элементы дают около 0,1 % мощности когенерации: 155 объектов (база ICF, 2014).

Какие мировые примеры есть?

В Мюнхене топливо косвенно получено из биогаза растений вокруг города. В проекте Verizon оговорено, что высокая стоимость топливных элементов «смягчила» экономический эффект. Размер узла связи около 292 тысяч кв. футов (примерно 27 тысяч кв. м).

Среди наших проектов на сайте топливных элементов нет.

Когда это имеет смысл?

Если объекту нужна независимость от общей сети и круглосуточная нагрузка, как у центра данных или узла связи, и бюджет позволяет. В остальных случаях смотрите страницы ГПУ и микротурбины. Стык с холодом здесь тот же, что у двигателей: ошибки тригенерации разобраны отдельно, за холодовой контур с машинами Thermax отвечает «Энергия холода».

Хотите оценить такую схему на своём объекте? Закажите расчёт ТЭО или посчитайте на калькуляторе.

Источники

• EPA, Catalog of CHP Technologies, сентябрь 2017: https://www.epa.gov/sites/default/files/2015-07/documents/catalog_of_chp_technologies.pdf
• ICF для ORNL, Opportunities for CHP in Data Centers, март 2009: https://www.energy.gov/sites/prod/files/2013/11/f4/chp_data_centers.pdf
• Слайд UCSD (Dilliott, 2022): https://deepdecarbon.ucsd.edu/_files/d2i_5-4-22_john-dilliott.pdf
• Материалы Thermax по проекту в Мюнхене.