A novel concept of H2/O2 steam generator

• Autorzy: Gołębiewski M. , Halbryt S. , Cieśliński J. T.

Warianty tytułu

PL

Koncepcja stanowiska badawczego prototypowej, wodorowej wytwornicy pary

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents an idea of hydrogen utilization to steam generation to drive a turbine and produce electricity or to supply a condenser as an element of a heating system. Electrolysis process is considered as a source of hydrogen as well as oxygen. Hydrogen combustion with a stoichiometric ratio of pure oxygen produces steam at very high temperature. Steam temperature can be controlled by mixing the generated steam with liquid water injected into the steam generator. The details of the prototype H₂/O₂ steam generator are presented. The concept of the test stand – consisting of the electrolysis unit, H₂/O₂ steam generator and steam condenser, is described.

PL

Wobec faktu wyczerpywania się zasobów kopalnych nośników energii oraz dążenia do minimalizacji emisji CO₂ (gospodarka zeroemisyjna), koniecznym staje się opracowanie koncepcji oraz konstrukcji technicznych, bazujących na OZE oraz innych, niekonwencjonalnych nośnikach energii. Perspektywicznym substytutem konwencjonalnych paliw kopalnych jest wodór, coraz powszechniej stosowany w energetyce oraz w układach typu Power2Gas. Znane są rozwiązania techniczne wykorzystania wodoru w ogniwach paliwowych, których przeznaczeniem jest generowanie energii elektrycznej. Innymi, znanymi rozwiązaniami są: wykorzystywanie wodoru do współspalania paliw konwencjonalnych w silnikach spalinowych czy palnikach przeznaczonych dla paliw płynnych, przegrzewaczach pary wodnej czy w parowych obiegach turbinowych. Wodór może być wytwarzany przy użyciu wielu technologii. Metodą perspektywiczną wydaje się proces elektrolizy wody, w którym źródłem energii elektrycznej są OZE. W koncepcji Power2Gas wytwarzanie wodoru na drodze elektrolizy jest szczególnie atrakcyjne ze względu na fluktuacje zapotrzebowania na energię elektryczną. W przypadku braku zapotrzebowania na energię elektryczną wytwarzaną przez turbiny wiatrowe czy systemy fotowoltaiczne nie zachodzi konieczność wyłączania tych układów z sieci, tylko przekierowanie wytwarzanej energii do zasilania elektrolizerów. Wytworzone w wyniku elektrolizy wodór oraz tlen mogą zostać zmagazynowane w zbiornikach ciśnieniowych i zużywane według potrzeb zdefiniowanych przez konstrukcję odbiorników sieci Power2Gas, np. silniki wewnętrznego spalania czy przegrzewacze pary. Prototypowa, wodorowa wytwornica pary składa się z elektrolizera oraz właściwej wytwornicy pary. Elektrolizer ma na celu symulację sieci Power2Gas, zaś wytwornica pary służy do produkcji pary w wyniku spalania mieszaniny wodoru i tlenu. Wodorowa wytwornica pary jest więc węzłem cieplnym, do którego podłączone są odbiorniki ciepła w celu jego utylizacji. Ponieważ w prototypowej instalacji zastosowano elektrolizer bezprzeponowy, do wytwornicy pary doprowadzana jest mieszanina wodoru oraz tlenu i nie ma potrzeby stosowania dodatkowego utleniacza, np. w postaci powietrza atmosferycznego. Tak więc jedynym produktem spalania jest para wodna, która wraz z wtryskiwaną do wytwornicy pary mgłą wodną krąży w zamkniętym obiegu pierwotnym wytwornicy pary przez wymiennik ciepła, zawór odwadniający, zbiornik kondensatu oraz pompę wody, dostarczającą wodę ze zbiornika kondensatu do dysz mgłowych, zainstalowanych w wytwornicy pary. Takie rozwiązanie techniczne wyklucza więc emisję CO₂, NO_x, SO_x. Wytwarzanie pary wodnej jako nośnika ciepła odbywa się dzięki wtryskowi mgły wodnej do komory spalania wodoru oraz tlenu. Strumienie wytworzonej pary wodnej z mgły wodnej oraz pary powstałej wskutek spalania mieszaniny wodorowotlenowej, mieszają się ze sobą i razem stanowią nośnik ciepła, który jest dostarczany do wymiennika ciepła. Stopień suchości wytwarzanej pary wodnej jest zależny od temperatury spalania mieszaniny wodorowo-tlenowej oraz od strumienia masowego dostarczanej wody przez dysze mgłowe do wytwornicy pary. Regulacja strumienia masy wody odbywa się przez załączanie (lub wyłączanie) z pracy poszczególnych dysz mgłowych oraz zmianę ciśnienia wody na rozdzielaczu doprowadzającym wodę do dysz mgłowych.

Słowa kluczowe

EN

hydrogen; electrolysis; steam generator

PL

wodór; elektroliza; wytwornica pary

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2016
• Tom: nr 11
• Strony: 45--48
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Gołębiewski M.

• SESCOM Inc., Gdańsk

autor

Halbryt S.

• SESCOM Inc., Gdańsk

autor

Cieśliński J. T.

• Gdańsk University of Technology, Gdańsk

Bibliografia

• [1] Barbir R: Review of hydrogen conversion technologies, Clean Energy Research Institute, University of Miami, Coral Cables, https://courses.engr.illinois.edu/npre470/web/readings/H2_Conversion.pdf
• [2] Doods R.E. et al.: Hydrogen and fuel cell technologies for heating: A review. Int. J. Hydrogen Energy, 40, 2015, 2065-2083.
• [3] Hoelzner K., Szyszka A.: Operation of 20kWth Gas-fired Heating Boilers With Hydrogen, Natural Gas and Hydrogen/Natural Gas Mixtures. First Test Results From Phase 1 (March 1993) of the Neunburg Vorm Wald Solar Hydrogen Project, International Journal Hydrogen Energy, Vol. 19, No. 10, (1994) pp. 843-851.
• [4] Haruta M., Sano H.: Catalytic combustion of hydrogen I - its role in hydrogen utilization system and screening of catalyst materials. Int. J Hydrogen Energy, 6 1981, 601-608.
• [5] Haruta M., Sano H.: Catalytic combustion of hydrogen III - Advantages and disadvantages of a catalytic heater with hydrogen fuel. Int. J Hydrogen Energy, 7 1982, 737-740.
• [6] Ron M.: A hydrogen heat pump as a bus air conditioner. J. of the Less Common Metals, Vol. 104, Issue 2, 1984, 259-278.
• [7] Spazzafumo G.: An Overview of Thermodynamic Cycles Based on Direct Stoichiometric Combustion of Hydrogen and Oxygen, Journal of Scientific & Industrial Research, Vol. 62 (2003), pp. 71-80.
• [8] Milewski J.: Hydrogen utilization by steam turbine cycles, Journal of Power Technologies 95 (4) (2015) 258-264.
• [9] Uzunow N.: Investigation on a new water-steam system with peak-load hydrogen turbine for power units with gas-cooled nuclear reactors. The Archive of Mechanical Engineering, LV, No. 2,2008, 143-171.
• [10] Yang W-Ch.: Hydrogen-Fueled Power Systems, https://www.netl.doe.gov/File%20Library/Research/Coal/energy%20systems/turbines/handbook/1-3-1-3.pdf
• [11] Haidn et al.: Improved combustion efficiency of a H2/O2 steam generator for spinning reserve application, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 23, 1998, No. 6, pp. 491-497.
• [12] Malyshenko S.P., Gryzanov A.N., Filatov N.I.: High Pressure H2/O2 - Steam Generators and Their Possible Applications, Int. Journal of Hydrogen Energy, Vol. 29 (2004), 589-596.
• [13] Sternfeld H.J. and Heinrich P.: A demonstration plant for the hydrogen/oxygen spinning reserve. Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 14, No. 10, pp. 703-716, 1989.
• [14] Chung T.D.: Efficiency analyses of solid oxide fuel cell power plant systems, Applied Thermal Engineering 28 (2008) 933-941.
• [15] Lin W: Waste Heat Recovery System for Fuel Cell System, TRRF05 Fuel Cell Technology, (2009).
• [16] Choudhury A., Chandra H. and Arora A.: Application of solid oxide fuel cell technology for power generation, Renewable and Sustainable Energy Reviews 20 (2013) 430-442.
• [17] Wang Y. et al.: A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research, Applied Energy 88 (2011) 981-1007
• [18] Norbeck J.M. et al.: Hydrogen Fuel for Surface Transportation, SAE, Warrendale, PA, 1996.
• [19] Gołębiewski M., Halbryt S.: Zespół kotła parowego, PU16744, 2016.
• [20] Allebrod F., Mollerup P.L., Chatzichristodolou C, Mogensen M.: Electrical Conductivity Measurements of Aqueous and Immobilized Potassium Hydroxide, International Conference on Hydrogen Production ICH2P-11, 2011.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).