© 1995-2022 Компания «Инфосистемы Джет»
Топливные ячейки (Fuel Cells)
Инженерная инфраструктура Инженерная инфраструктура

Топливные ячейки как перспективная технология начали разрабатываться относительно давно (NASA заинтересовалось этим направлением в начале 1950-х гг.), однако лишь в последние годы они нашли свое непосредственное техническое воплощение

Главная>Инженерная инфраструктура>Топливные ячейки (Fuel Cells)

06.10.2011

Посетителей: 56

Просмотров: 42

Время просмотра: 2.3

Авторы

Автор
Николай Доронин Руководитель группы проектирования систем электропитания Центра сетевых решений компании «Инфосистемы Джет»
Топливные ячейки как перспективная технология начали разрабатываться относительно давно (NASA заинтересовалось этим направлением в начале 1950-х гг.), однако лишь в последние годы они нашли свое непосредственное техническое воплощение. В 2000 г. в США технология получила развитие на прикладном уровне, уже в 2004 г. состоялся запуск экспериментальной теплоэнергетической установки на топливных элементах в жилом квартале пригорода Нью-Йорка. Установка обеспечивала жителей электроэнергией и теплом.

 

 

Если говорить о коммерческом производстве, в августе 2008 г. компании APC (American Power Conversion) и Hydrogenics объявили о выпуске новых энергетических модулей на основе топливных элементов для контейнерных дата-центров. Мощности декларировались на уровне 10, 20 и 30 КВт, что вполне соответствовало потреблению контейнерных ЦОДов.

 

Рис. 1. Модель PureCell®400 кВт (9Х12 м)

Модель PureCell®400 кВт (9Х12 м)

Решение было предназначено в том числе для удаленных дата-центров, поскольку топливные ячейки позволяют обеспечить автономную работу небольшого ЦОДа сроком до месяца. В настоящее время в связи с отсутствием спроса компании приостановили продажи и развитие производства.

 

Виды топливных элементов (ТЭ) ТЭ классифицируют по используемому в них топливу, характеру применения, рабочему давлению и температуре:

 

  • Протонный обменный мембранный ТЭ (Proton Exchange Membrane, PEM)
  • Щелочной ТЭ (Alkaline Fuel Cells, AFC)
  • Фосфорнокислый ТЭ (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC)
  • ТЭ с прямым окислением метанола (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC)
  • ТЭ с электролитом из расплава карбоната лития и натрия (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC)
  • ТЭ с твердым электролитом (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)
  • Воздушно%цинковый ТЭ (Zinc%Air Fuel Cells, ZAFC)
  • Протонный керамический ТЭ (Proton Ceramic Fuel Cells, PCFC)
  • Регенеративный ТЭ (Regenerative Fuel Cells, MFC)
  • Микробный ТЭ (Microbial Fuel Cells, MFC)

 

На данный момент инсталляции топливных ячеек существуют в 19 странах мира. Преобладающее большинство из них имеют статусный характер и располагаются на базе научно-исследовательских университетов. В России топливные ячейки пока также остаются на уровне экспериментальных изысканий, находящихся под контролем государства. Одним из стимулов для повсеместного внедрения решения в нашей стране является высокая степень изношенности трубопроводов тепловых сетей (~230 тыс. км теплотрасс). При производстве электроэнергии на топливных элементах выделяется большое количество тепла, которое можно использовать в сфере ЖКХ и промышленности, устанавливая топливные ячейки в непосредственной близости от потребителя.

 

Принцип работы PEM

 

Рассмотрим механизм функционирования протонных обменных мембранных топливных элементов – одних из самых распространенных в своем классе. Первое, что нужно отметить: источники получения электроэнергии в PEM возобновляемы (водород и кислород). Топливная ячейка в данном случае состоит из двух электродов – анода и катода, между которыми расположена протонно-обменная полимерная мембрана. На анод подается чистый водород под давлением 1,5–2,7 атмосферы, в результате молекулы водорода разделяются на электроны и протоны. Протоны H+ проводятся через мембрану и оседают на катоде, в то время как свободные электроны проходят через нагрузку и уходят во внешнюю цепь, приводя в действие электродвигатель. На катализаторе H+ объединяются с «вернувшимися» электронами и кислородом, образуя молекулы воды. В результате произошедшей химической реакции выделяется большое количество тепла, в случае, если оно используется для нужд ЖКХ, КПД технологии достигает 80–90%.

 

Рис. 2. Механизм работы PEM (по материалам http://www.krugosvet.ru)

Механизм работы PEM

 

Американцы были покорены ручейком воды, образующимся на выходе вместо букета зловредных веществ. Безобидность отходов технологии у многих вызывает экологический восторг.

 

Преимущества решения

 

  • Прежде всего, высокий КПД (около 45–50%), он превышает аналогичный показатель дизельного генератора (его максимум – 35%), поскольку для дизель-генераторной установки характерно ступенчатое преобразование энергии. В топливной ячейке в результате химической реакции энергия – электрический ток – выделяется непосредственно «здесь и сейчас», благодаря одному процессу.
  • Легкая масштабируемость. Мощность топливных элементов может быть увеличена простым добавлением отдельных блоков. КПД в этом случае не уменьшается, т. е. большие установки столь же эффективны, как и малые.
  • Экологичность и безотходность технологии.
  • Удобство размещения. Топливные элементы можно устанавливать непосредственно в здании, поскольку отсутствуют выбросы загрязняющих веществ, вибрация, шум от работы оборудования и т. д.
  • Надежность (в решении отсутствуют движущиеся части) и простота эксплуатации.

 

Недостатки технологии

 

  • Первичные капиталовложения при внедрении этого решения выше, чем в случае с обычными источниками питания. С другой стороны, затраты на обслуживание ниже, поскольку процесс работы топливных ячеек максимально автоматизирован и требует присутствия минимального числа операторов.
  • Отсутствие инфраструктуры для производства топлива. Данный технологический процесс требует участия чистого водорода. Он может быть получен из природного газа, но для этого необходимы установки по его переработке и транспортировке. И здесь возни-кает замкнутый круг: поскольку спрос на топливные ячейки отсутствует, нет инфраструктуры, что в свою очередь препятствует популяризации решения.
  • Время ввода топливной ячейки в эксплуатацию может составлять от 1 до 8 часов.
    Мы не рекомендуем использовать этот источник для питания ЦОДа, который необходимо быстро восстановить после произошедшей аварии. Либо придется прибегать к резервированию 2N – ставить две топливные ячейки или резервировать их традиционными источниками питания. Необходимо помнить и о том, что перезагрузка топливных элементов также занимает определенное время.
  • Непредсказуемость последствий любой возможной аварии для механизма работы топливных ячеек.
  • Для нашей страны существует специфическая проблема, заключающаяся в сложности получения официального разрешения на запуск топливных ячеек в эксплуатацию. На данный момент не утвержден перечень согласований, которые необходимо получить для начала работы. Соответствующие документы находятся на стадии разработки.

 

Рано или поздно все ведущие страны обратятся к использованию топливных ячеек, поскольку дефицит природных ресурсов начинает ощущаться уже сейчас.

 

И получение жизненно необходимой электроэнергии буквально из воздуха и воды станет общераспространенным явлением.

Уведомления об обновлении тем – в вашей почте

Как 3D-моделирование ускоряет строительство ЦОД

Большинство проектов построения инженерных систем ЦОД отличаются высокой плотностью расположения разнообразного инженерного оборудования в ограниченном пространстве и необходимостью вписать решение в нестандартные архитектурные площадки

Естественный отбор Дарвина, или тернистый путь развития дата-центров

Вопрос создания и эксплуатации программно-определяемых ЦОД (Software-Defined Data Center) сегодня в первую очередь заботит крупных провайдеров ИТ-услуг

Capacity Planning для сети

Задачи корректного выбора характеристик и планирования дальнейшего развития являются одними из самых важных и сложных при проектировании любой автоматизированной системы.

Роль Quality Assurance, или Шпионские страсти ЦОДостроения

Если поностальгировать и вспомнить Центры обработки данных конца 1990-х годов, то практически все они были консервативными с точки зрения используемых технологий. Ситуация изменилась в начале XXI века в связи с ростом объемов корпоративных данных, а также количества используемых компаниями бизнес-приложений.

Когда стоит задуматься о Quality Assurance

Анализируя ситуацию на рынке ЦОД, мы можем констатировать, что услуга Quality Assurance реально востребована российским бизнесом последние 1–2 года.

«Кешбэк от DCIM — это когда решение высвобождает до 30% ресурсов ЦОД»

Почему тема DCIM сейчас особенно актуальна? Во сколько обойдется такой проект? Как работает кешбэк от DCIM? Какие ошибки допускают заказчики при внедрении?

DevOps/NetOps заказывали? Автоателье для сетевиков

Что такое DevOps/NetOps? Объясняем на автомобилях. Когда компаниям необходимо DevOps/NetOps-решение? Как мы разрабатывали собственный продукт?

Быть или не быть энергоэффективности?!

Как мы все помним, центр обработки данных (ЦОД, дата-центр) представляет собой площадку, на которой собраны вычислительные мощности. При этом ЦОД не возникает сам по себе из ниоткуда. На момент строительства, как правило, организация уже обладает некоторым набором ИТ-систем. Используемое при этом оборудование может быть весьма разнородно, территориально разнесено и т.д.

Внешние ИТ-ресурсы - нельзя (,) отказаться!

Представим себе ситуацию: компания задумалась о том, чтобы внедрить ERP. На месте этих 3 букв может стоять другая аббревиатура – CRM, CAD, BI, SRM, CMS, EAM, MRM, GIS

Спасибо!
Вы подписались на обновления наших статей
Предложить
авторский материал





    Спасибо!
    Вы подписались на обновления наших статей
    Подписаться
    на тему







      Спасибо!
      Вы подписались на обновления наших статей
      Оформить
      подписку на журнал







        Спасибо!
        Вы подписались на обновления наших статей
        Оформить
        подписку на новости







          Спасибо!
          Вы подписались на обновления наших статей
          Задать вопрос
          редактору








            Оставить заявку

            Мы всегда рады ответить на любые Ваши вопросы

            * Обязательные поля для заполнения

            Спасибо!

            Благодарим за обращение. Ваша заявка принята

            Наш специалист свяжется с Вами в течение рабочего дня