Чиллер для электролизёра водорода: расчёт по потерям стека

Чиллер для электролизёра водорода рассчитывают по потерям стека: в водород переходит 65–75 % подведённой электроэнергии, а остальное греет электролит, и это тепло снимает теплообменник контура охлаждения. Калькулятор считает холодопроизводительность по мощности электролизёра, его типу и загрузке, прибавляет выпрямитель и показывает расход воды.

Расчёт чиллера для электролизёра водорода

Мощность электролизёра, кВт Тип электролизёра Щелочной — потери около 30 % С протонообменной мембраной (PEM) — около 35 % Твердооксидный, высокотемпературный — около 25 % Загрузка 50 % — по графику энергосистемы 70 % — обычный режим 100 % — непрерывная работа Выпрямитель охлаждается отдельно

Температура воды, °C Запас 10 % 15 % 20 %

Выносной конденсатор

Вода 35 °C теплее, чем у серийных чиллеров (от 5 до 15 °C): нужен индивидуальный подбор.

Требуемый чиллер

227,7

кВт

Потери стека, кВт

180,0

Выпрямитель, кВт

18,0

Расход воды, м³/ч

39,2

Температура воды, °C

35

Запросить подбор на 227,7 кВт

Письмо производителю xiron.ru с параметрами расчёта

Оборудование не укладывается в калькулятор? Опишите задачу словами — ассистент посчитает нагрузку и подберёт чиллер

Что охлаждаете, сколько и при какой температуре Посчитать и подобрать

Откуда берётся тепло

• Стек. Перенапряжение на электродах и сопротивление мембраны или диафрагмы превращают 25–35 % мощности в тепло; электролит или вода циркуляции уносят его из стека в теплообменник.
• Выпрямитель. Тиристорный или транзисторный выпрямитель на сотни киловатт теряет около 3 % и часто охлаждается водой того же контура.
• Газоохладители. Водород и кислород выходят из сепараторов горячими и насыщенными паром; их охлаждают перед осушкой, и эта нагрузка входит в потери стека.

Стек работает при 60–80 °C, и воду на теплообменник подают 30–40 °C: холодная вода переохлаждает электролит, падает проводимость и растёт напряжение ячеек. Вода 35 °C теплее серийного диапазона, поэтому подбор индивидуальный; как устроены чиллеры с тёплой водой, разобрано в справочнике об охладителе масла.

Формула

Q_ст = P × z × φ

Q_в = P × z × 0,03

Q = (Q_ст + Q_в) × (1 + k)

V = Q / (1,163 × Δt)

• Q_ст — потери стека, кВт; P — номинальная мощность электролизёра, кВт; z — загрузка, доля; φ — доля потерь по типу (таблица ниже).
• Q_в — потери выпрямителя, кВт, 0,03 — ориентировочно; если выпрямитель охлаждается отдельно, Q_в = 0.
• k — запас, доля; V — расход воды, м³/ч; Δt — нагрев воды, принят 5 °C; 1,163 — теплоёмкость воды, кВт·ч/(м³·°C).

Если изготовитель даёт удельное потребление, кВт·ч на нормальный кубометр водорода, долю потерь считают прямо: φ = 1 − 3,54 / e, где 3,54 кВт·ч/нм³ — теплота сгорания водорода по высшей теплотворной способности, e — удельное потребление стека. Потери выпрямителя по типам — в задаче о чиллере для преобразователей частоты и выпрямителей.

Пример расчёта

Щелочной электролизёр 600 кВт, непрерывная работа на 100 %, выпрямитель на том же контуре, вода 35 °C, запас 15 %.

1. Потери стека: Q_ст = 600 × 1,0 × 0,30 = 180,0 кВт.
2. Выпрямитель: Q_в = 600 × 1,0 × 0,03 = 18,0 кВт.
3. С запасом: Q = (180,0 + 18,0) × 1,15 = 227,7 кВт.
4. Расход воды: V = 227,7 / (1,163 × 5) = 39,2 м³/ч.

Типовые ошибки

• Брать КПД из рекламы. 80 % по высшей теплотворной способности на новом стеке через два года превращаются в 70 %: напряжение ячеек растёт, и потери в тепло — тоже. Чиллер считают на конец срока службы стека, с запасом 15–20 %.
• Холодная вода на теплообменник. При воде 12 °C электролит у выхода переохлаждается, проводимость падает, выпрямитель упирается в напряжение; воду держат 30–40 °C, а серийный чиллер на 15 °C с подмесом — расчёт температуры смешения.
• Общий контур с сухой градирней «потому что вода тёплая». Градирня даёт воду на 5–10 °C теплее воздуха и в жару +35 °C не удержит 35 °C; стек перегревается, и электролизёр сбрасывает нагрузку.
• Не учесть загрузку. Электролизёр при ветропарке работает 30–60 % времени на полной мощности, но пик — полный; чиллер считают по полной мощности, а бак гликоля или воды не заменяет мощность: расчёт в расчёте объёма бака-аккумулятора.

Контур водорода взрывоопасен: чиллер ставят вне зоны, а если это невозможно, применяют исполнение из справочника о взрывозащищённом чиллере.

Вопросы и ответы

Сколько тепла выделяет электролизёр водорода?

Электролизёр водорода выделяет в тепло ориентировочно 25–35 % подведённой мощности: щелочной стек около 30 %, PEM — 35 %, твердооксидный — 25 %; остальное переходит в водород. Электролизёр на 600 кВт при полной загрузке греет контур охлаждения примерно на 180 кВт плюс около 3 % потерь выпрямителя.

Какая температура воды нужна на теплообменник электролизёра?

На теплообменник электролизёра подают воду 30–40 °C, потому что стек работает при 60–80 °C, а холодная вода переохлаждает электролит: падает проводимость и растёт напряжение ячеек. Вода 35 °C теплее серийного диапазона чиллеров, поэтому такой чиллер подбирают индивидуально.

Как посчитать потери стека по удельному потреблению?

Долю потерь стека считают по удельному потреблению из паспорта: φ = 1 − 3,54 / e, где 3,54 кВт·ч/нм³ — теплота сгорания водорода по высшей теплотворной способности, e — потребление стека в кВт·ч на нормальный кубометр. При потреблении 5 кВт·ч/нм³ в тепло уходит около 29 % мощности.