DOI 10.57112/22022-38

УДК 621.31

ТВЕРДООКСИДНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, РАБОТАЮЩИЕ НА БИОГАЗЕ

Бабенко Алексей Александрович

Сташко Василий Иванович

Аннотация:

Анаэробное сбраживание используется во всем мире для очистки органических отходов и сточных вод. Полученный биогаз может быть преобразован с использованием обычных устройств преобразования энергии для обеспечения энергоэффективных, интегрированных решений для утилизации отходов. Как правило, эффективность электрического преобразования этих устройств составляет 30-40 % и снижается из-за использования биогаза вместо высокочистого природного газа. Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) в качестве альтернативного устройства обеспечивает высокую (50-60 %) электрическую эффективность с низким уровнем выбросов (CO2, NOx) и высокотемпературным остаточным теплом. Высококачественное остаточное тепло от ТОТЭ может быть использовано для улучшения производства биогаза путем термической предварительной обработки субстрата для анаэробного сбраживания.

Ключевые слова: ТОТЭ, биогаз, анаэробное сбраживание, возобновляемые источники энергии, очистка сточных вод.

Введение

Ископаемое топливо в настоящее время является основным источником для производства электроэнергии, что впоследствии увеличивает уровень парниковых газов CO2, СН4. Эффект парниковых газов в основном объясняется выбросами метана и углекислого газа в атмосферу. В целях сокращения использования ископаемых видов топлива и его негативного воздействия на окружающую среду, возобновляемым источникам энергии в последние годы уделяется большое внимание. Системы санитарии, централизованные станции очистки сточных вод и реакторы для органических отходов дают широкие возможности для восстановления ресурсов для производства биогаза, содержащего в основном метан и углекислый газ. Низкая эффективность традиционных устройств преобразования энергии, таких как двигатели внутреннего сгорания и турбины, не позволяет биогазу достичь своего полного потенциала, поскольку рассеивается более 50 % химической энергии.

Повысить чистый КПД до 50 % и более можно будет, если вместо ТЭЦ использовать высокоэффективные устройства преобразования энергии, такие как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), для стационарных применений. ТОТЭ представляют собой модульные, бесшумные, низкоэмиссионные и безвибрационные устройства, которые генерируют электроэнергию в результате электрохимических реакций. Кроме того, высокотемпературная эксплуатация дает возможность использовать тепло для когенерационных циклов и обеспечивает высокую эффективность эксергии [1].

Принцип работы анаэробного сбраживания

Очистка сточных вод имеет решающее значение из-за санитарных требований и для сохранения чистых водных ресурсов. Основные загрязнители сточных вод включают фосфаты, соединения азота и органические вещества. Эти загрязняющие вещества должны быть удалены до того, как очищенная вода будет сброшена в окружающую среду. Основные проблемы на очистных сооружениях связаны с производством осадка (в аэробных очистных сооружениях) и выбросами парниковых газов, таких как метан CH4, углекислый газ CO2 и NOx. Кроме того, процесс аэробной очистки сточных вод требует электрической энергии для аэрации, которая может быть дорогостоящей. Энергия, необходимая для этого процесса, может компенсироваться химической энергией, содержащейся в органическом веществе сточных вод. Обычное аэробное сбраживание является наиболее часто используемым процессом удаления азота при низких капитальных затратах. Однако эксплуатационные расходы высоки из-за высокой потребности в кислороде [2].

Анаэробное сбраживание является наиболее перспективной технологией интенсивной биодеградации органического вещества. Она может быть применена к различным размерам очистных сооружений. В крупномасштабных муниципальных очистных сооружениях после первичной и вторичной очистки сточных вод и разделения осадка, активный ил транспортируется в анаэробный биореактор для уменьшения объема осадка, стабилизации осадка и производства биогаза. Во время процесса анаэробного сбраживания органические соединения превращаются в метан смешанным сообществом бактерий и архей. На первом этапе сложное органическое вещество твердых частиц распадается в результате физико-химических процессов, которые повышают доступность ферментов, выделяемых микробным сообществом на втором этапе, гидролизе. Процесс ферментативного гидролиза производит аминокислоты, сахара и жирные кислоты, которые могут быть поглощены микробными клетками. В зависимости от состава потока отходов, белки и углеводы являются доминирующими (более 60 %) составляющими всего органического вещества. В этот момент вовлеченные микроорганизмы используют эти промежуточные продукты для своего метаболического дыхания, что приводит к образованию короткоцепочечных жирных кислот, таких как пропионовая и масляная кислоты, на стадии ацидогенеза. В последствии это приводит к образованию уксусной кислоты, углекислого газа и водорода ацетогенными бактериями на стадии ацетогенеза. Наконец, гидрогенотрофные и уксуснические метаногенные археи превращают эти продукты в метан на стадии метаногенеза. Весь процесс показан на рисунке 1 [3].

Потенциал производства метана в основном зависит от количества и характеристик органического вещества в потоке отходов. Разлагаемый органический материал может быть оценен по потенциалу биометана и химической потребности в кислороде.

После удаления загрязняющих веществ, биогаз, полученный в результате анаэробного сбраживания, обычно используется в различных устройствах преобразования энергии, таких как газовые горелки, двигатели внутреннего сгорания и комбинированные теплоэнергетические системы.

Рисунок 1 – Упрощенный процесс анаэробного сбраживания

Общая эффективность традиционных систем сгорания, как правило, ниже 50 %, поскольку процесс сгорания приводит к значительным потерям эксергии. Использование электрохимических конверсионных устройств, таких как ТОТЭ, может помочь изменить установки анаэробного сбраживания на более эффективные и устойчивые системы, поскольку может генерироваться высокоэффективная электроэнергия и высокотемпературное тепло.

Принцип работы твердооксидного топливного элемента

Твердооксидный топливный элемент преобразует химическую энергию топлива в электрическую энергию посредством электрохимических реакций. ТОТЭ состоит из трех основных слоев. Плотный слой керамики, называемый твердым электролитом, зажат между двумя электродами (анодом и катодом). Анод и катод изготовлены из специфического пористого проводящего материала. Электрохимические реакции обусловлены разницей парциального давления кислорода по всему электролиту. ТОТЭ работают при высоких температурах в диапазоне 500–1000 °C, обеспечивая перенос ионов кислорода через твердый электролит, и подходят для длительного стационарного применения. Как правило, при высокой температуре кислород на катоде восстанавливается до ионов кислорода и передается через электролит. Ионы кислорода реагируют с топливом на трехфазной границе, где топливные газы H2 и CO (газовая фаза), электролит (ионная фаза) и электрод (электронная фаза), встречаются. Тонкий слой способствует увеличению потока ионов и уменьшает омические потери и сопротивление. Электрохимическая реакция водорода на аноде (1) и кислорода на стороне катода (2) показана ниже [4]:

Идеальным топливом для топливных элементов является водород, но из-за сложностей в производстве, хранении водорода и связанных с этим затратах, широко рассматриваются альтернативные виды топлива. Синтез-газ и биогаз, являются потенциальными видами топлива для ТОТЭ. Выработка электроэнергии из биогаза-ТОТЭ значительно высока, даже когда содержание метана в биогазе ниже значения, которое может произойти при нормальном сгорании. Метан в биогазе может быть преобразован в водород и окись углерода посредством реакции риформинга и при высокой концентрации водорода реализована хорошая производительность ТОТЭ.

Использование в твердооксидных топливных элементах

Как правило, КПД ТОТЭ значительно выше, чем у двигателей внутреннего сгорания (особенно для малых) и наличие СО2 полезен для внутреннего риформинга метана. Следовательно, двигатели внутреннего сгорания могут быть потенциально заменены ТОТЭ. Кроме того, разделение аммиака в реакторе и его последующее использование в качестве топлива в ТОТЭ может увеличить выработку электроэнергии на очистных сооружениях. Другие низкотемпературные топливные элементы также могут быть применены для производства электроэнергии, но генерируемый биогаз должен быть преобразован в богатый водородом газ в качестве топлива, и обширная очистка газа имеет важное значение, что приводит к удорожанию системы. Другие типы высокотемпературных топливных элементов, таких как расплавленно-карбонатный топливный элемент, также могут быть использованы, но электролит вызывает коррозию (снижается срок службы) и для катодной стороны требуется дополнительный поток CO2, что не всегда оправдано. ТОТЭ является хорошим вариантом топливных элементов, работающих на биогазе для стационарных интегрированных электростанций, а также возможно применение для вспомогательных силовых установок в транспортных средствах.

Проведенные в [5] исследования показали, что при интеграции ТОТЭ в систему электроснабжения сельскохозяйственных предприятий комплексные затраты на энергоснабжение будут меньше соответствующих затрат при электроснабжении только от централизованной сети.  Полученные результаты исследований подтверждают экономическую целесообразность применения ТОТЭ на объектах сельхозпроизводства.

Заключение

Системы ТОТЭ открывают хорошие возможности для будущих применений благодаря высокой эффективности, гибкости топлива и экологически чистым аспектам по сравнению с традиционным подходом ТЭЦ на основе двигателя внутреннего сгорания. Биогаз как возобновляемое топливо хорошо сочетается с системами ТОТЭ, несмотря на колебания парциального давления метана в биогазе. Высококачественное остаточное тепло от ТОТЭ может улучшить производство биогаза путем термической предварительной обработки осадка. Это повышает общую эффективность системы. Благодаря возможности производства биогаза в небольших масштабах и модульности ТОТЭ, для этих интегрированных систем нет ограничений по размеру, в отличие от традиционных биогазовых применений. Это преимущество может способствовать более эффективному внедрению в сельских автономных ситуациях. Последние разработки показывают, что биогаз-ТОТЭ достигает зрелого технологического статуса, но до начала коммерциализации полномасштабных биогазовых систем ТОТЭ еще предстоит решить ряд проблем.

Одной из наиболее важных проблем является снижение долговечности ввиду содержания загрязняющих веществ в биогазе. Другой немаловажной проблемой является стоимость ТОТЭ. Высокая эффективность биогазовых систем ТОТЭ делает такие системы способными конкурировать с обычными устройствами выработки электроэнергии. Однако без субсидий и государственной поддержки трудно сделать систему биогаз-ТОТЭ коммерчески жизнеспособной, если затраты на ТОТЭ не снизятся значительно.

Список используемой литературы

1. Лебедева, М. В. Топливные элементы – характеристика, физико-химические параметры, применение / М. В. Лебедева, Н. А. Яштулов. – Москва : Общество с ограниченной ответственностью «Издательство «Мир науки», 2020. – 63 с. – ISBN 978-5-6044337-7-5. – EDN VJQNXN.

2. Оценка технологий обработки осадков сточных вод в условиях перехода к циркулярной экономике / А. В. Киселев, Е. Р. Магарил, И. С. Глушанкова, Л. В. Рудакова // Journal of Applied Economic Research. – 2020. – Т. 19. – № 3. – С. 329-347. – DOI 10.15826/vestnik.2020.19.3.016. – EDN AVWUSD.

3. Пляцук, Л. Д. Анализ методов предварительной подготовки для улучшения анаэробного разложения осадков сточных вод / Л. Д. Пляцук, Е. Ю. Черныш, Л. Г. Филатов // Екологічна безпека. – 2012. – № 1(13). – С. 90-93. – EDN UXSDWN.

4. Верхозина, Ю. А. Твердооксидные топливные элементы / Ю. А. Верхозина // Молодежный вестник ИрГТУ. – 2020. – Т. 10. – № 4. – С. 59-63. – EDN OQPWOW.

5. Соснина, Е. Н. О применении ТОТЭ на биогазе в системах электроснабжения сельскохозяйственных предприятий / Е. Н. Соснина, А. В. Шалухо, Л. Е. Веселов // Интеллектуальная электротехника. – 2020. – № 4(12). – С. 27-41. – DOI 10.46960/2658-6754_2020_4_27. – EDN SPFXFE.

Информация об авторах

Сташко В. И. – к.т.н., доцент, Бабенко А. А. – студент группы 8Э(з)-11, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.

-