Экологический центр, несмотря на свое общественное назначение, представляет собой небольшое здание, аналогичное малоэтажным жилым домам, поэтому опыт его эксплуатации может быть учтен и при проектировании, например, коттеджей.

В зданиях отеля и больницы стоят достаточно большие установки, номинальной мощностью 100 и 200 кВт соответственно, при этом используется и электрическая, и тепловая энергия. Эти элементы построены на технологии PAFC — элементы с электролитом на основе ортофосфорной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). В здании экологического центра установлен топливный элемент номинальной мощностью 5 кВт, построенный по технологии PEM (элемент с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM), и используется только электрическая энергия. Все три топливных элемента являются коммерческими образцами, выпускаемыми серийно.

В этих зданиях топливные элементы не являются единственным источником энергии, а комбинируются с внешними источниками.

Следует отметить, что первые два проекта в результате привели к снижению затрат на энергоносители (здесь не рассматриваются вопросы амортизации оборудования). В здании экологического центра стоимость одного кВт•ч произведенной электрической энергии превышает стоимость электроэнергии, поставляемой из энергосистемы штата, но этот проект носит демонстрационный характер и преследует иные цели. Несомненным достоинством всех трех проектов является их экологичность, но результаты уменьшения вредных выбросов достаточно сложно оценивать экономически.

Отель «Nagoya Sakae Washington Hotel Plaza», Нагоя, Япония
Новый отель «Nagoya Sakae Washington Hotel Plaza» построен в Нагое, Япония. Отель рассчитан на 308 номеров. В этом отеле действует комбинированная система производства тепловой и электрической энергии на основе топливного элемента. Использован топливный элемент «FP100» производства «Fuji Electric» номинальной мощностью 100 кВт ( . Эти элементы относятся к типу элементов с электролитом на основе ортофосфорной кислоты (PAFC) и используются для выработки электрической энергии непосредственно на месте.

Топливный элемент был введен в эксплуатацию в марте 1999 года и за все время непрерывной работы показал высокую эффективность и надежность, обеспечив снижение потребления энергоресурсов на 14 %. Сжигание природного газа, необходимого для получения такого же количества энергии, увеличило бы выбросы CO2 на 17 %. Общий КПД установки (при комбинированном использовании тепловой и электрической энергии) превышает 70 %.

Компания «Fuji Electric» начала исследования топливных элементов типа PAFC в 1973 году. В 1987 году в сотрудничестве с тремя крупнейшими японскими газоснабжающими компаниями началась разработка топливного элемента, предназначенного для установки непосредственно на обслуживаемом объекте в качестве автономного источника тепло, энергоснабжения. После тщательных испытаний прототипов в 1997 году на рынке появилась модель топливного элемента «FP100» мощностью 100 кВт. Это была одна из первых моделей топливных элементов такой мощности, предназначенных для коммерческого использования.

В данной модели топливного элемента вырабатывается два вида тепловой энергии: высокотемпературная в виде горячей воды с температурой 90 °С и низкотемпературная в виде горячей воды с температурой 50 °С. Низкотемпературная вода, вырабатываемая топливным элементом, используется для предварительного подогрева воды, подаваемой в водонагреватель, а высокотемпературная вода используется в качестве источника тепловой энергии для отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения.

Топливный элемент «FP100» отличается относительно низкой стоимостью и высокой надежностью. Надежность топливного элемента была увеличена путем оптимизации структуры отдельных топливных ячеек, повышения коррозионной стойкости охлаждающих труб, улучшения технологии сохранения электролита (до 40 тысяч часов работы без какоголибо добавления ортофосфорной кислоты). Для снижения стоимости был оптимизирован размер отдельных ячеек и упрощены детали каркаса. Для упрощения и снижения массы системы теплообменник предварительного подогрева природного газа был интегрирован в состав реформера. Была оптимизирована система нейтрализации серосодержащих соединений и угарного газа. В результате конструктивных доработок в коммерческом образце топливного элемента по сравнению с прототипом число теплообменников было уменьшено в два раза. Для уменьшения эксплуатационных затрат была оптимизирована система водоочистки на основе ионообменных смол.

Габариты установки по высоте позволяют размещать ее внутри здания, а масса позволяет осуществлять транспортировку на грузовой платформе грузоподъемностью 15 тонн.

В табл. 1 приведены технические характеристики топливного элемента «FP100».

Сеть гостиниц «Washington Hotel» активно поддерживает энергосбережение и защиту окружающей среды, и автономные комбинированные установки производства тепловой и электрической энергии установлены в четырех отелях этой сети. В рамках программы «Financial Support Programme for Field Tests» организации «New Energy and Industrial Technology Development Organization» (NEDO) при поддержке газоснабжающей компании «Toho Gas» топливный элемент был установлен в новом отеле «Nagoya Sakae Washington Hotel Plaza».

Максимальная нагрузка на систему энергоснабжения отеля составляет 250 кВт, но во внепиковый период нагрузка падает ниже 100 кВт. Следовательно, для экономичного круглосуточного использования номинальной мощности топливный элемент должен обеспечивать передачу избыточной мощности в энергосистему и оснащаться предохранительной системой.

На 2 приведена схема системы тепло и электроснабжения данного здания. Топливный элемент подключен к газовой магистрали, и городской электросети через защитные устройства. Это позволяет во внепиковые часы, когда нагрузка на топливный элемент ниже номинальной, направлять избыточную электроэнергию в городскую электросеть, т. е. в это время гостиница является не потребителем, а производителем электроэнергии. Такая схема позволяет использовать топливный элемент более эффективно.

К топливному элементу подключены два водяных контура — низкотемпературный (50 °С) и высокотемпературный (90 °С). В состав обоих контуров входят насосы, теплообменники, а для охлаждения обратной воды используются градирни. Низкотемпературный контур используется для предварительного подогрева воды в составе системы горячего водоснабжения. Дальнейший нагрев осуществляется газовым водонагревателем.

Высокотемпературный контур также используется в системе горячего водоснабжения, но он поддерживает температуру уже нагретой воды в бакеаккумуляторе. Кроме этого, высокотемпературный контур используется в качестве источника горячей воды для системы кондиционирования воздуха, в состав которой входит абсорбционный чиллер/водонагреватель с прямым использованием природного газа мощностью 350 кВт.

В цикле работы происходит непрерывный мониторинг системы тепло и электроснабжения, что позволяет учитывать расход энергии.

На 3 приведена диаграмма потребления тепловой и электрической энергии за один день в мае 1999 года. Расход электрической энергии относительно велик и даже во внепиковые часы превышает номинальную мощность топливного элемента. Высокотемпературная тепловая энергия, используемая в качестве источника тепла в системе горячего водоснабжения и как ист. горячей воды для абсорбционных чиллеров/нагревателей, практически полностью расходуется равномерно в течение суток. Низкотемпературная тепловая энергия используется для горячего водоснабжения во внепиковые часы с 8:00 до 9:00 утром и с 23:00 до 0:00 ночью. В этот день общий КПД установки составил 73,7 %, из них 39,3 % при использовании электрической энергии, 17,5 % при использовании высокопотенциальной тепловой энергии, 16,9 % при полном использовании низкопотенциальной тепловой энергии, т. е. использовались практически полностью электрическая и высокотемпературная тепловая энергия и более половины низкотемпературной тепловой энергии.

Использование в данной гостинице топливного элемента позволило снизить затраты на тепло и электроснабжение примерно на 40 %. но капитальные затраты и расходы на техническое обслуживание в дватри раза выше, чем при использовании традиционных схем энергоснабжения. В настоящее время компания «Fuji Electric» разработала второе поколение топливных элементов типа PAFC. Их стоимость ниже примерно на треть по сравнению с элементами первого поколения.

Больница базы военноморской авиации, Джексонвиль, США
В 1993—1994 годах Конгресс США выделил финансовые средства для исследований в области использования природного газа. Часть этих средств была использована для реализации программы «DoD Fuel Cell Demonstration Program» — демонстрационной программы использования топливных элементов Министерства обороны США. Общие затраты на исследовательские работы и демонстрационные проекты составили примерно $ 55 млн (привлекались дополнительные источники финансирования).

В рамках этой программы планировалось приобретение, установка и последующий мониторинг в цикле эксплуатации топливных элементов на 30 объектах, принадлежащих военному ведомству, — госпиталях, учебных центрах, административных зданиях и т. д. Была разработана методология выбора и оценки применения таких установок. Эта работа включала в себя контроль изготовления и установки оборудования на обслуживаемом объекте, мониторинг работы оборудования, эксплуатацию топливных элементов.

В результате после проведения научных изысканий в 1997 году серийно выпускаемые (коммерчески доступные) электростанции на топливных элементах были установлены на 29 объектах, принадлежащих Министерству обороны США, что сделало эту организацию владельцем крупнейшего парка таких установок во всем мире. Отчет по результатам работы и рекомендации были представлены изготовителям оборудования. Данные, полученные в результате реализации этой программы, были использованы в ряде других программ, например, «Climate Change Fuel Cell Program».

Одним из этих 29 объектов стал реконструируемый госпиталь базы военноморской авиации «Jacksonville», расположенной в городе Джексонвиль во Флориде. Приемосдаточные испытания системы тепло и энергоснабжения данного здания были проведены 11 апреля 1997 года. В качестве одного из источников энергии был использован топливный элемент «PC25 Model C» производства «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.»). Этот элемент относится к типу PAFC. Его устройство было подробно рассмотрено в первой части статьи. Технические характеристики этого элемента приведены в табл. 2.

Основное назначение авиабазы «Jacksonville» — базирование противолодочных самолетов. Кроме этого, на авиабазе имеются авиаремонтные предприятия, учебные центры и госпитальный комплекс. Госпитальный комплекс предназначен для обслуживания военнослужащих и вольнонаемного персонала базы. Он состоит из девяти зданий. Одно из них — восьмиэтажное здание больницы, в котором была проведена реконструкция. Возраст здания — 30 лет.

Площадь больницы составляет 31 680 м Первоначально больница была рассчитана на 400 мест, но позднее большая часть палат была преобразована в медицинские кабинеты, предназначенные для обслуживания амбулаторных больных, и в настоящее время вместимость больницы составляет 50 пациентов. Больница функционирует круглосуточно, но пиковая нагрузка на систему энергоснабжения приходится на будние дни, с 7:30 до 16:3 Здание больницы выполнено из железобетонных конструкций. Остальные здания госпитального комплекса — новое здание амбулатории площадью 8 360 м2, административные здания и казармы.

Электроснабжение госпитального комплекса осуществляется от городской высоковольтной электросети (напряжение 4,16 кВ, подключается через трансформаторную подстанцию). Внутри комплекса используются две электросети — 480 и 120 В. Резервный ист. энергоснабжения — два электрических генератора мощностью по 500 кВт.

ист. теплоснабжения — теплоцентраль. Наиболее крупные здания госпитального комплекса — больницы и амбулатории — различаются составом инженерного оборудования. Сопряжение с этим оборудованием топливных элементов представляло собой достаточно сложную инженерную задачу.

В здании больницы есть три основных системы — потребителя тепловой энергии. Это система горячего водоснабжения, система отопления и автоклавы для стерилизации медицинских инструментов (технологические нужды). цикл стерилизации инструмента требует непосредственного использования перегретого пара под большим давлением, что не может быть обеспечено топливными элементами. В системе отопления здания больницы используются три контура водяного отопления, подключенных к источнику теплоснабжения (теплоцентрали) посредством пароводяных теплообменников, расположенных в различных местах. Подключение к теплообменникам топливных элементов достаточно сложно; кроме этого, отопление в рассматриваемом здании требуется в течение 3—4 месяцев в году. Наиболее эффективно использование тепла топливных элементов в системе горячего водоснабжения (ГВС) здания.

Инженерное оборудование находится в техническом помещении, расположенном частично в здании больницы, а частично в отдельном здании, пристроенном к больнице. Часть оборудования располагается непосредственно на открытом воздухе. В техническом помещении установлены три водонагревателя, два чиллера «Trane», насосы, паропроводы и подобное оборудование. В ходе реконструкции было добавлено так же одно помещение, в котором размещается чиллер «Carrier», бакаккумулятор емкостью 5 670 л. С южной стороны технического помещения, снаружи, располагается различное электрооборудование, и два аварийных электрогенератора.

Теплоцентраль является источником тепловой энергии для отопления и горячего водоснабжения (ГВС) здания больницы, и обеспечивает паром технологические нужды (стерилизацию хирургического инструмента). В системе горячего водоснабжения для приготовления горячей воды используются три водонагревателя «Patterson Kelly Compact II». Два водонагревателя подогревают воду до температуры 60 °С (эта вода используется в помещениях больницы), а один — до температуры 82 °С (для использования на кухне).

Расчетная температура отопительного периода — 0 °С, температура периода охлаждения — 34 °С.

Система отопления — водяная. ист. тепловой энергии — пар от теплоцентрали. Три пароводяных теплообменника размещены в здании больницы. Температура подаваемой воды — от 49 до 82 °С, температура обратной воды — от 43 до 77 °С в зависимости от температуры наружного воздуха. Система отопления используется с конца ноября до середины марта.

Топливный элемент смонтирован на открытом воздухе у восточной стены технического помещения, в котором расположен чиллер «Carrier» и бакаккумулятор. Такое размещение позволяет минимизировать длину коммуникаций: длина трубопровода горячей воды составляет примерно 20 м, длина электрического силового кабеля примерно 18 м. Первоначально планировалось подведение природного газа от демонтированной мусоросжигательной печи, и длина газовой магистрали должна была составить 45 м, но затем удалось уменьшить длину газовой магистрали до 9 м ( .

Электрическая энергия, вырабатываемая в топливном элементе, подается в больничную электросеть при напряжении 480 В через панель управления, расположенную в техническом помещении. Выходная мощность топливного элемента составляет 200 кВт. По расчетам этого достаточно для нормального функционирования здания больницы (пиковая нагрузка составляет 1,2 МВт), но в случае превышения максимальной нагрузки или в случае аварийной ситуации здание больницы может быть подключено к базовой системе электроснабжения базы посредством трансформатора (2 500 кВ•А).

Горячая вода подается в палаты и туалеты (температура воды составляет 60 °С) и на кухню (температура воды 82 °С). Водоразборная арматура в палатах и в туалетах оснащена встроенной защитой от ожогов слишком горячей водой. В соответствии с рекомендациями Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию (ASHRAE), суточная потребность в горячей воде палат оценивается в 70 л/сут. на одно койкоместо. В среднем, ежедневно в больнице находятся 45 пациентов, и расчетная нагрузка на систему горячего водоснабжения палат и туалетов составляет около 5,9 кВт. Суточная потребность в горячей воде кухни оценивается в 9 л на приготовление одной порции пищи, а в сутки готовится около 600 порций. Расчетная нагрузка на систему горячего водоснабжения кухни составляет 13,2 кВт. общая тепловая нагрузка относительно невелика, но экономический эффект от использования топливного элемента достаточно высок в связи с высокой стоимостью выработки пара в теплоцентрали. Топливный элемент вырабатывает воду с температурой 60 °С, поэтому перед подачей воды на кухню ее дополнительно подогревают до температуры 82 °С. Топливный элемент полностью покрывает нагрузку на систему горячего водоснабжения палат и туалетов, и на 80 % — нагрузку на систему горячего водоснабжения кухни ( .

Поскольку выработка электрической и тепловой энергии в топливном элементе происходит непрерывно, а потребление горячей воды на бытовые нужды носит переменный характер, в системе горячего водоснабжения предусмотрен бакаккумулятор. Проектировщики использовали существующий бакаккумулятор, до реконструкции задействованный в системе холодоснабжения больницы. Высота бакааккумулятора составляет 2,1 м, диаметр 1,8 м, вместимость 5 670 л. Для циркуляции воды м. бакомаккумулятором и топливным элементом используется циркуляционный насос производительностью 95 л/мин, который должен работать все время, пока топливный элемент используется. Из бакааккумулятора подогретая вода подается в водонагреватели, а оттуда раздается в палаты, туалеты и кухню. Возможна подача воды из городского водопровода непосредственно в водонагреватели в случае, когда топливный элемент не функционирует.

Блок кондиционера № 4, расположенный в техническом помещении, представляет собой секцию нагревания, которая обеспечивает теплым воздухом первый и второй этажи здания больницы. В период охлаждения (с середины марта до середины октября) подогретый воздух смешивается с охлажденным воздухом для обеспечения более комфортной температуры. В отопительный период (с середины октября до середины марта) подогретый воздух используется для дополнительного обогрева помещений. В летний период пароводяной теплообменник позволяет подавать на отопительный змеевик воду с температурой от 38 до 49 °С (обычно 43 °С). В зимний период температура воды, подаваемой на отопительный змеевик, составляет 66—71 °С. Температура обратной воды на 5—10 °С ниже. Вода от пароводяного теплообменника подается на отопительный змеевик посредством циркуляционного насоса производительностью 900 л/мин. Полная отопительная нагрузка на этом кондиционере составляет 345,8 кВт.

Доля используемого тепла, выработанного топливным элементом, составляет 56 %.

Госпитальный комплекс приобретает электрическую энергию по фиксированной цене 6,874 цента за 1 кВт•ч, а тепловую по 4,487 цента за 1 кВт•ч. Стоимость природного газа, используемого в топливном элементе, за год составляет $ 62 03 Стоимость энергии, выработанной топливным элементом, составляет около $ 152 тыс. в год ($ 107 тыс. — стоимость электрической энергии, $ 45 тыс. — стоимость тепловой энергии). без учета стоимости амортизации оборудования годовая экономия энергии в стоимостном выражении составляет $ 90 тыс. При 100 % использовании тепловой энергии, вырабатываемой в топливном элементе, эта цифра может составить $ 126 тыс. в год.

В период с 18 марта 1997 года по 30 апреля 2002 года топливный элемент проработал 35 115 часов, и при этом произвел 6 441 МВт•ч электрической энергии. За это время израсходовано 924 тыс. кубометров природного газа. Средняя производительность топливного элемента (по мощности) составила 183,4 кВт.

Экологический центр военной базы «Fort Bragg», Фейтвилль, США
В октябре 2001 года корпорация «LOGANEnergy Corporation» заключила контракт на поставку и установку топливных элементов на ряде объектов, принадлежащих инженерным подразделениям армии США. Одним из таких объектов стала военная база «Fort Bragg» в Фейтвилле (Fayetteville), штат Северная Каролина ( .

Одним из перспективных направлений использования в качестве автономных источников энергии топливных элементов является энергоснабжение частных жилых домов и небольших офисов посредством небольших установок мощностью 3—5 кВт. Для оценки эфф. таких решений был реализован демонстрационный проект электроснабжения здания экологического центра. Несмотря на то что это здание находится на территории военной базы, его назначение вполне гражданское. Следует отметить, что этот демонстрационный проект не предполагает снижения эксплуатационных расходов: его цель — изуч. возможности практического использования нового способа получения электрической энергии непосредственно на месте ее потребления. так же одна особенность проекта в том, что он не требует специально обученного персонала — оборудование поставляется, монтируется и эксплуатируется отдельной организацией, а не владельцами данного здания.

Рядом с техническим помещением экологического центра был установлен топливный элемент «SU1» производства компании «Plug Power Corporation». Этот топливный элемент относится к типу элементов с протонообменной мембраной (PEM). Для функционирования топливного элемента этого типа необходимо некоторое количество воды. Его мощность составляет 5 кВт, рабочее напряжение 120/240 В, 60 Гц переменного тока. Топливный элемент установлен параллельно базовой системе электроснабжения здания и работает при номинальной мощности 2,5 кВт. Топливный элемент снабжен счетчиком электроэнергии и газовым счетчиком, что позволяет оценивать его эффективность. Кроме этого, посредством обычной телефонной линии установлено модемное соединение с эксплуатирующей организацией, что позволяет оперативно получать информацию о различных нештатных и аварийных ситуациях, необходимости сервисного обслуживания и т. д.

Топливный элемент предназначен только для электроснабжения здания — тепловая энергия не используется.

Основные характеристики топливного элемента приведены в табл. 3.

Выбор места размещения топливного элемента определялся удобством подключения всех необходимых коммуникаций (газа, воды и электрической энергии) ( 7, . Топливный элемент был размещен на улице у стены здания, для чего пришлось срубить одно дерево. Для устройства основания был выбран грунт на глубину 15 см, засыпан гранитной крошкой, на котором был устроен фундамент высотой 30

На 9 схематически изображено размещение топливного элемента и необходимые коммуникации. Топливный элемент размещен рядом с техническим помещением. Из этого помещения подводится вода, необходимая для функционирования топливного элемента, в нем же находится и электрическое оборудование. Точка подключения к газовой магистрали располагается с другой стороны здания, там же установлен и газовый счетчик. Регулятор давления газа входит в состав топливного элемента. Длина электрического кабеля примерно 8 м, водяных труб также 8 м, газовой трубы — 15 м.

В топливном элементе «SU1» вырабатывается переменный электрический ток напряжением 120/240 В и частотой 60 Гц, а потребители электрической энергии рассчитаны на напряжение 110/208 В. Для согласования напряжений в техническом помещении размещается понижающий трансформатор. Кроме этого, энергоснабжение данного здания может осуществляться от городской электросети в случае сбоев в работе топливного элемента или при превышении максимально допустимой нагрузки; для автоматического отключения топливного элемента в схему включено защитное реле.

Топливный элемент комплектуется установкой мембранной очистки воды (обратного осмоса). Эта установка располагается в техническом помещении и предназначена для очистки технической воды, подаваемой к топливному элементу. Для предотвращения замерзания воды трубопровод снабжен подогревом.

В схему управления топливным элементом входит модем, посредством которого по обычной телефонной линии устанавливается связь с эксплуатирующей организацией.

В табл. 4 приведены экономические показатели данного проекта.

Среднегодовая производительность топливного элемента составляет 19 710 кВт•ч. стоимость 1 кВт•ч произведенной электроэнергии без учета затрат на обслуживание и амортизацию оборудования составляет $ 0,0766 за 1 кВт•ч.

Очевидно, что с учетом дополнительных затрат на амортизацию оборудования и обслуживание стоимость электроэнергии даже выше стоимости электрической энергии, поставляемой из городской электросети. В некоторой степени это связано с тем, что в данном проекте не используется тепловая энергия. но этот опыт может быть интересен для нашей страны, поскольку в ряде регионов стоит проблема дефицита и высокой стоимости электрической энергии, и в то же время имеются запасы относительно дешевого природного газа.