162
Общетехнические задачи и пути их решения
УДК 621.311.6
Е. В. Казакевич, В. А. Кудряшов
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ
СЕТЕЙ ОАО РЖД
В статье рассматривается возможность использования электрохимических генераторов на топливных элементах в качестве резервных источников энергообеспечения
систем электропитания телекоммуникационных сетей ОАО РЖД. Проводится анализ
существующих типов топливных элементов, рассматриваются области применения топливных элементов от стационарных установок до микроустройств. Даются рекомендации по их использованию в отдельных подразделениях ОАО РЖД.
системы электропитания, резервные источники энергоснабжения, электрохимические
генераторы на топливных элементах
Введение
В соответствии с принятым в 2009 г. законом об основных направлениях государственной политики на период до 2020 года в сфере повышения
энергетической эффективности электроэнергетики организацию энергетической системы энергоснабжения объектов народного хозяйства необходимо осуществлять с использованием возобновляемых источников энергии.
Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта в рамках
общей стратегии развития железнодорожного транспорта до 2020–2030 гг.
предусматривает разработку технических решений по применению энергоустановок на водородных топливных элементах для эксплуатации в системах СЦБ и связи, что отражает мировые тенденции.
В данной статье предлагается рассмотреть возможность создания резервных источников питания на топливных элементах (ТЭ) для электроснабжения устройств СЦБ и связи на железнодорожных станциях.
1 Топливные элементы как составная часть энергоснабжения
объектов ОАО РЖД
Топливные элементы, первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время все активней используются в самых
разных областях и объектах, таких как стационарные электростанции, автономные источники тепло- и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания ноутбуков и мобильных телефонов.
Дома связи, в которых сосредоточена аппаратура оперативнотехнологической и общетехнологической связи, передачи данных и др., а
также посты электрической централизации крупных станций в соответст2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
163
вии с категорией надежности электроприемников относятся к особой
группе первой категории и должны обеспечиваться электроэнергией от
трех независимых источников питания. На сегодняшний день в качестве
третьего источника энергии наиболее часто используются дизельгенераторные агрегаты (ДГА), которые имеют высокий уровень шума в
процессе эксплуатации, отличаются низкой эффективностью выработки
электроэнергии (до 40 %), низкой надежностью из-за наличия в конструкции большого количества подвижных деталей, высокими требованиями к
обслуживанию, а также высоким выходом СО2 и низкой экологичностью.
Топливные элементы энергетически более эффективны, чем двигатели
внутреннего сгорания, поскольку для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. Коэффициент полезного действия топливных элементов составляет 50 %, в то
время как КПД двигателей внутреннего сгорания – всего 12–15 %.
ТЭ надежны, долговечны, просты в обслуживании и выделяют минимальное количество загрязняющих веществ, кроме того, в процессе работы
отсутствуют сильные шумы и вибрация, поэтому необходимо пересмотреть устоявшиеся подходы к организации резервного питания и обеспечить проведение комплекса мероприятий по исследованию и апробации
применимости топливных элементов в подразделениях ОАО РЖД.
2 Анализ существующих типов топливных элементов
Топливными элементами (электрохимическими генераторами – ЭХГ)
называются устройства, в которых химическая энергия окисления топлива
(водорода) превращается непосредственно в электрическую энергию, но в
отличие от обычных гальванических элементов эти реакции протекают не
на электродах, а в так называемом топливе. Установка на топливных элементах может обеспечивать резервное электропитание на протяжении
многих дней, так как продолжительность действия ограничена только
имеющимся в запасе количеством топлива.
Топливные элементы обеспечивают высокий уровень энергосбережения, повышенную надежность системы, более предсказуемые эксплуатационные качества в широком спектре климатических условий. Затраты на
протяжении срока эксплуатации также более низкие вследствие значительно меньшей потребности в техническом обслуживании, замене и утилизации.
Попытки использования электрохимических генераторов в качестве
источника энергии для энергообеспечения автономной энергетической установки осуществлялись с начала XX века.
Применение водорода – главное направление в области освоения альтернативных видов топлива, однако сдерживающим фактором в использовании этого источника энергии является отсутствие технологичных, экономичных и безопасных методов его получения, а также способов его длиISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
164
Общетехнические задачи и пути их решения
тельного хранения и перевозки, что затормозило развитие топливных элементов.
И только сейчас рост стоимости электроэнергии и все усиливающиеся
требования к защите окружающей среды, а также разработка новых материалов и технологий стимулировали исследования и коммерческое развитие новых топливных элементов и промышленное производство электрохимических генераторов, что создало предпосылки для рассмотрения вопросов использования данных источников для нужд ОАО РЖД.
В настоящее время продолжают решаться задачи реализации методов
технологичного и экономичного получения водорода в целях его использования в качестве топлива, а также способов его длительного хранения и
перевозки. Для этого разработан целый ряд способов получения газообразного водорода и кислорода из различных видов топлива, транспортировка
и хранение которых не представляют трудности и не требуют очень больших емкостей.
Сравнительный анализ энергетических показателей современных и
перспективных видов топлива представлен в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1. Энергетические показатели видов топлива с учетом диссоциации
(T0 = 298,16 К, 84 МПа)
Показатель
Температура
сгорания Tк, К
Теплота сгорания Hсг,
МДж/кг
Энергоёмкость
с учетом диссоциации
Hсг, ккал/кг
Для газов
Hсг, МДж/м3
Водород Ацетилен Аммиак
Метанол Этанол
Природный
Бензин
газ
2450
3423 в O2
(2623 на
воздухе)
1956
2185
2235
2288
2336
118
50,3
17,0
19,7
25,0
49,0
42,4
28160
11964
4087
4708
5962
11703
10118
10,5
58,3
13,2
–
–
34,3
–
Производство инновационных энергосберегающих электрохимических генераторов [1] базируется на применении следующих основных типов топливных элементов:
1) топливные элементы с протонообменной мембраной (Proton
Exchange Membrane Fuel Cells – PEMFC);
2) топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells – PAFC);
3) топливные элементы на основе расплавленного карбоната (Molten
Carbonate Fuel Cells – MCFC);
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
165
4) твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel
Cells – SOFC).
Основные характеристики топливных элементов представлены в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2. Основные характеристики топливных элементов
Эффективность
Тип
Рабочая
выработки
топливного температура,
электроэнергии,
элемента
°C
%
PEMFC
30–100
35–50
PAFC
100–220
35–40
MCFC
550–700
50–70
SOFC
450–1000
45–70
Тип топлива
Чистый
водород
Чистый
водород
Большинство видов углеводородного топлива
Большинство видов углеводородного топлива
Область
применения
Малые
установки
Большие
установки
Средние и большие
установки
Малые, средние и
большие установки
В настоящее время развитие технологий использования топливных
элементов идет в нескольких направлениях [2]. Это создание стационарных электрохимических генераторов на топливных элементах (как для
централизованного, так и для децентрализованного энергоснабжения),
энергетических установок транспортных средств (созданы образцы автомобилей и автобусов на топливных элементах), а также источников питания различных мобильных устройств (портативных компьютеров, мобильных телефонов и т. д.).
Результаты анализа имеющихся в открытой печати данных по использованию топливных элементов в нашей стране и за рубежом представлены
в таблице 3.
Ближайшие перспективы развития водородных технологий [3], позволяющие расширить возможности их использования, связаны с созданием:
электрохимического генератора нового поколения с уровнем удельной
мощности до 1 кВт/кг, достижимым ресурсом 10–40 тысяч часов при
удельной стоимости батареи топливных элементов 2000 долл/кВт;
электролизеров воды с уровнем рабочего давления электролизных газов до 70 МПа и ресурсом до 40 тысяч часов;
аккумуляторов энергии с водородным циклом;
металлокомпозитных баллонов (например, для хранения водорода) с
рабочим давлением до 700 атм при относительной массе хранимого водорода 6 % от массы баллона;
совершенствования водородно-кислородной арматуры, датчиков измерения высокого давления.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
166
Общетехнические задачи и пути их решения
ТАБЛИЦА 3. Область применения топливных элементов
Область
применения
Номинальная
мощность, кВт
Стационарные
установки
5–250
и выше
Портативные
установки
1–50
Мобильные
установки
25–150
Микроустройства
1–500
Примеры использования
Автономные источники тепло- и электроснабжения
жилых, общественных и промышленных зданий, источники бесперебойного питания, резервные и аварийные источники электроснабжения
Дорожные указатели, грузовые и железнодорожные
рефрижераторы, инвалидные коляски, тележки для
гольфа, космические корабли и спутники
Автомобили (опытные образцы создали, например,
«DaimlerCrysler», «FIAT», «Ford», «General Motors»,
«Honda»,
«Hyundai»,
«Nissan»,
«Toyota»,
«Volkswagen», ВАЗ), автобусы (например, «MAN»,
«Neoplan», «Renault») и другие транспортные средства, военные корабли и субмарины
Мобильные телефоны, ноутбуки, карманные компьютеры (PDA), различные бытовые электронные устройства, современные военные приборы
Анализ достоинств и перспектив развития электрохимических генераторов на топливных элементах по сравнению с ДГА, которые широко распространены в качестве резервных источников питания системы электроснабжения устройств СЦБ и связи, показывает, что использование ЭХГ на
топливных элементах имеет ряд важных преимуществ.
Заключение
Таким образом, инновационная идея использования электрохимических генераторов на топливных элементах для резервных источников питания системы электроснабжения устройств СЦБ и связи на железнодорожных станциях может оказать разностороннее положительное влияние
на экономическую и экологическую ситуацию за счет:
повышения уровня энергосбережения, т. к. коэффициент полезного
действия топливных элементов в зависимости составляет от типа, от 40 до
60 % (до 80 % с утилизацией тепла);
повышения надежности благодаря отсутствию движущихся частей
разрядки в режиме ожидания;
повышения адаптивности из-за снижения уровня шума при эксплуатации и возможности установки в помещении (контейнер/защитный контейнер);
снижения расходов при низкой потребности в техническом обслуживании (эксплуатация полностью автоматизирована);
снижения выбросов газов и загрязняющих веществ с минимальным
воздействием на окружающую среду.
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
167
Повышение энергетической эффективности систем электропитания
телекоммуникационных сетей ОАО РЖД способствует наращиванию эффективности функционирования всей транспортной инфраструктуры Российской Федерации и в целом интенсивному экономическому развитию
нашей страны.
Библиографический список
1. Топливные микроэлементы. Возможна ли замена батарей? / М. Гольцова //
Электроника : наука, технология, бизнес. – 2006. – № 2. – С. 42–44.
2. Использование топливных элементов для энергоснабжения зданий. Ч. 1 /
М. М. Бродач, Н. В. Шилкин // AВОК. – № 2. – 2004. – С. 52–60.
3. Энергия развития : интервью с Виталием Лопотой // Технополис XXI : журнал
промышленного, научно-технического и экономического развития. – 2008. – № 14. –
С. 10–12.
УДК 631.672.46
О. Г. Капинос, Н. В. Твардовская
ПОСЛЕДСТВИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ,
СОПРОВОЖДАЮЩИХСЯ РАЗРЫВАМИ СПЛОШНОСТИ
ПОТОКА ЖИДКОСТИ
Сокращение водопотребления для обеспечения нужд железнодорожного транспорта России выявило ряд проблем, которые необходимо устранять в процессе эксплуатации существующих сетей. Для предотвращения критических ситуаций, связанных с негативными последствиями гидравлических ударов на напорных трубопроводах, необходимо оптимизировать гидравлический режим их работы с учетом снижения
водопотребления.
гидравлический удар, кавитация потока, разрыв сплошности потока, метод характеристик, скорость распространения фронта ударной волны.
Введение
Существует мнение, что в связи с сокращением водопотребления нагрузка на старые водопроводные сети снизится и количество ежегодных
аварий уменьшится. Однако с точки зрения опасности возникновения гидравлических ударов с разрывом сплошности потока это маловероятно.
Уменьшение количества транспортируемой жидкости по трубопроводам приводит к уменьшению скорости её движения, а следовательно, при
гидравлическом ударе без разрыва сплошности потока – к снижению величины максимального ударного давления [1]. Однако при гидравлическом
ударе с разрывом сплошности потока может возникать обратная ситуация.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3