Vysokoteplotní elektrolýza s rekuperací tepla

Vysokoteplotní elektrolýza s rekuperací tepla

TECHNICKÉ PODMÍNKY

K. Stehlík

ROZSAH DOKUMENTACE Tato dokumentace je zpracována na úrovni dokumentace pro výběr dodavatele. Obsahuje základní popis funkcí, vlastností a technologií zařízení, které musí být splněny. Detailní řešení nejsou v této dokumentaci uvedena. Dodavatel odpovídá za úplnost, celistvost, kompatibilitu a především za úplnou funkčnost zařízení, které nabízí. Nabídka musí obsahovat všechny nutné součásti díla, které jsou potřebné pro plnou funkčnost zařízení a splnění minimálního programu testů, popsaného v této dokumentaci. Pokud by dodavatel zjistil v této dokumentaci chybu, je povinen nabídku zpracovat s odstraněním chyby tak, aby nabídnuté zařízení bylo plně funkční, a o chybě informovat zadavatele. Součástí díla je zpracování podrobné výrobní dokumentace před zahájením výroby, podrobné dokumentace skutečného stavu po zprovoznění zařízení, provedení výchozí kalibrace všech součástí zařízení a systému jako celku, výchozí revize zařízení a zajištění povolení nezbytných pro výstavbu a provoz zařízení.

ZMĚNA TECHNICKÉHO ŘEŠENÍ Jiné řešení zadaných cílů oproti této dokumentaci je možné za předpokladu splnění závazných parametrů Uvedených v příloze č. 2 zadávací dokumentace. Zadané parametry a funkce lze dosáhnout jinými než popsanými prostředky, pokud nové řešení zachová nebo zlepší sledované parametry, zachová nebo zlepší funkčnost a efektivitu zařízení. Navrhovatel musí odchylné řešení podrobně popsat a doložit, že nedošlo ke zhoršení sledovaných parametrů nebo ke snížení funkčnosti a efektivity zařízení.

__________________________________________________________________________________ SUSEN – Vysokoteplotní elektrolýza s rekuperací tepla Technická specifikace 2 / 23

OBSAH 1. 2. 3. 3.1 3.2 4. 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.4 4.5

4.6 4.7 4.8 4.8.1 4.8.2

4.9 4.10

Seznam zkratek .................................................................................................... 5 Účel zařízení ......................................................................................................... 6 Popis funkce zařízení .......................................................................................... 7 Základní funkce ..................................................................................................... 7 Cíl prováděných testů ............................................................................................ 7 Technologické systémy ...................................................................................... 8 Pec ........................................................................................................................ 8 Výměníky tepla ...................................................................................................... 8 Voda/vodík (VT1) ................................................................................................... 9 Vodní pára/vodík (VT2) .......................................................................................... 9 Směs vodní pára + vodík/vzduch (VT3) ................................................................. 9 Vzduch/vzduch (VT4) ............................................................................................ 9 Vstupní média........................................................................................................ 9 Voda ...................................................................................................................... 9 Vodík ................................................................................................................... 10 Dusík ................................................................................................................... 10 Vzduch ................................................................................................................ 10 Parogenerátor (PG) ............................................................................................. 10 Elektrolyzér .......................................................................................................... 11 Důležité parametry............................................................................................... 11 Integrace do systému .......................................................................................... 11 Elektrický zdroj .................................................................................................... 11 Jednotka pro odlučování vody ............................................................................. 11 Řidící a diagnostický systém................................................................................ 12 Řídicí systém ....................................................................................................... 12 Datové komunikační rozhraní .............................................................................. 12 Diagnostický systém ............................................................................................ 13 Měření teploty ...................................................................................................... 13 Měření průtoků jednotlivých médií ....................................................................... 13 Měření tlaku ......................................................................................................... 14 Přenos a záznam dat ........................................................................................... 14 Kalibrace přístrojů ................................................................................................ 14 Příslušenství ........................................................................................................ 14 Nářadí na demontáže a montáže ......................................................................... 14 Další požadavky .................................................................................................. 14 4.10.1 Zajištění proti kondensaci ....................................................................... 14 4.10.2 Elektrický ohřev proplachového vzduchu pro nájezd zařízení ................. 14 4.10.3 Přídavek vodíku do vstupní vodní páry ................................................... 15


5. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 6. 6.1 6.2

6.3 7. 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12

4.10.4 Zálohování napájení ............................................................................... 15 4.10.5 Provedení ............................................................................................... 15 4.10.6 Umístění zařízení ................................................................................... 15 4.10.7 Parametry zařízení ................................................................................. 15 Bezpečnost zařízení .......................................................................................... 17 Klasifikace bezpečnosti zařízení .......................................................................... 17 Lokalizace experimentálního zařízení a požární ochrana..................................... 17 Bezpečnost při výpadku elektrického napájení .................................................... 17 Bezpečnost při provozu zařízení .......................................................................... 18 Odvod vznikajícího vodíku ................................................................................... 18 Minimální program testů ................................................................................... 19 Průběh testů ........................................................................................................ 19 Popis jednotlivých testů ....................................................................................... 19 Testy v ustáleném stavu ...................................................................................... 19 Dynamické testy .................................................................................................. 19 Souhrn testovacích úkolů..................................................................................... 20 Technická specifikace zařízení ......................................................................... 21 Celkové parametry zařízení ................................................................................. 21 Pec ...................................................................................................................... 21 Výměníky ............................................................................................................. 21 Parogenerátor...................................................................................................... 22 Přívod vzduchu .................................................................................................... 22 Průtokoměry ........................................................................................................ 22 Elektrolyzér .......................................................................................................... 22 Elektrický zdroj .................................................................................................... 22 Sušící jednotka .................................................................................................... 22 Diagnostický systém ............................................................................................ 23 Řídicí systém ....................................................................................................... 23 Bezpečnostní systém........................................................................................... 23


1. SEZNAM ZKRATEK SOEC SOFC

solid oxide electrolysis cell – elektrolytický článek s pevným elektrolytem solid oxide fuel cell – palivový článek s pevným elektrolytem

EU SUSEN

Evropská unie Sustainable Energy, Udržitelná energetika

Jednotky MW kW kV GW Pa

megawatt, jednotka výkonu kilowatt, jednotka výkonu kilovolt, jednotka elektrického napětí gigawatt, jednotka výkonu pascal, SI jednotka tlaku


2. ÚČEL ZAŘÍZENÍ Předmětem veřejné zakázky je dodávka kompletního funkčního zařízení pro provádění a vyhodnocování experimentů výroby vodíku vysokoteplotní elektrolýzou vody při parametrech 800 °C a 0,1 MPa. Pro pot řeby zařízení bude použit vzduch při parametrech 1160 °C a 0,1 MPa, které zaručují stejné tepelně-transportní vlastnosti jako má helium při parametrech 850 °C a 7 MPa (jedná se o parametry chladiva odpovídaj ící parametrům předpokládaným pro vyvíjené jaderné reaktory chlazené héliem). Toto zařízení je součásti infrastruktury pro potřeby výzkumných aktivit v rámci výzkumného programu TEO (technologické okruhy) projektu SUSEN.

Obrázek 1: Možné schéma okruhu


3. POPIS FUNKCE ZAŘÍZENÍ Cílem zakázky je vybudovat kompletní experimentální zařízení umožňující výrobu vodíku vysokoteplotní elektrolýzou v návaznosti na jaderné reaktory IV. generace. Součástí zakázky je proto též návrh, realizace a ověření funkce tepelného výměníku pracujícího při parametrech helia jako chladiva VHTR reaktorů. Kompletní zařízení musí být vybaveno systémem rekuperace tepla (využívání zbytkového tepla produktů) schopného dlouhodobého provozu zařízení (až 240 hodin). Z hlediska bezpečnosti a nižších nákladů při realizaci bude jako zdroj vysokopotenciálního tepla místo helia použit vzduch při parametrech zaručujících stejné tepelně-transportní vlastnosti jako helium při 850 °C a 7 MPa.

3.1 Základní funkce Dodané zařízení bude schopné automatického provozu, přičemž jeho hlavní funkcí bude vysokoteplotní elektrochemická konverze vodní páry na vodík a kyslík. Jako vstupní média budou použity: - kapalná voda (demineralizovaná), - vodík, - dusík, - vzduch.

3.2 Cíl prováděných testů Cílem prováděných testů je ověřit možnost výroby vodíku vysokoteplotní elektrolýzou s využitím zdroje vysokopotenciálního tepla a dlouhodobou degradaci materiálů vysokoteplotního elektrolyzéru a ostatních částí systému.


4. TECHNOLOGICKÉ SYSTÉMY Součástí kompletního zařízení pro výrobu vodíku vysokoteplotní elektrolýzou vody jsou následující dílčí technologické systémy: • Pec • Výměníky tepla o voda/vodík o vodní pára/vodík o vodní pára/vzduch (odpovídající parametrům vysokoteplotního helia) o vzduch/vzduch • vstupní média • parogenerátor • elektrolyzér • elektrický zdroj elektrolyzéru • odlučovač vody • řídicí a diagnostický systém Jednotlivé součásti musí být navzájem plně kompatibilní a musí společně zajišťovat provozuschopnost a plnou funkčnost zařízení jako celku s důrazem na úplné splnění minimálního programu testů, uvedeného v této zprávě (kapitola 6).

4.1 Pec Jde o zařízení zajišťující udržování konstantní pracovní teploty elektrolyzéru během procesu výroby vodíku včetně možnosti kontrolovaného ohřevu/chladnutí pro nájezd/odstavení zařízení (elektrolyzéru). Parametry pece jsou následující: - Vnitřní rozměry: minimální rozměr o 10 % větší než je maximální rozměr elektrolyzéru včetně držáku, které jsou předmětem této zakázky - Pracovní teplota: zaručující pracovní teplotu elektrolyzéru nejméně v rozpětí 600 – 800 °C - Možnost řízeného ohřevu/chladnutí rychlostí v rozpětí 1 – 3 °C/min s p řesností ±0,5 °C/min

4.2 Výměníky tepla Kompletní zařízení bude obsahovat několik výměníků tepla sloužících k rekuperaci tepla (za účelem dosažení maximální možné energetické efektivity), a to jak na vodíkové, tak na kyslíkové straně elektrolyzéru. Např. možné řešení dle schématu navrženého zadavatelem (obrázek 1) obsahuje výměníky tepla popsané v následujících podkapitolách. Minimální teplotní spád u žádného použitého tepleného výměníku nesmí překročit hodnotu 50 °C.


4.2.1 Voda/vodík (VT1) Výměník sloužící pro využití zbytkového tepla vznikajícího vodíku (tzv. rekuperace) k předehřevu vstupující vody před vstupem do parogenerátoru.

4.2.2 Vodní pára/vodík (VT2) Předehřev směsi vodní páry vystupující z parogenerátoru ve směsi s přidaným vodíkem zaručujícím redukční podmínky směsi (požadavky elektrolyzéru) za účelem využití tepelného potenciálu vznikající směsi vodík/vodní pára v elektrolyzéru (cca 800 °C) – součást systému tzv. rekuperace tepla.

4.2.3 Směs vodní pára + vodík/vzduch (VT3) Výměník simulující využití vysokopotenciálního tepla chladícího média jaderného reaktoru typu VHTR. Pro potřeby tohoto projektu bude použit výměník, kde bude na „heliové“ straně použit vzduch při parametrech 1160 °C a 0,1 MPa, které odpovídají t epelně-transportním vlastnostem helia (THe = 850 °C, p He = 7 MPa).

4.2.4 Vzduch/vzduch (VT4) Na kyslíkové straně elektrolyzéru bude využito proplachu vzduchu k odvodu vznikajícího kyslíku (snižování parciálního tlaku kyslíku). K rekuperaci tepla bude sloužit výměník tepla typu vzduch/vzduch (výstupní proud z elektrolyzéru bude složením odpovídat vzduchu obohacenému o vznikající kyslík).

4.3 Vstupní média Experimentální zařízení pro vysokoteplotní elektrolýzu vody vyžaduje několik vstupních médií, jejichž požadavky jsou popsány v následujících podkapitolách.

4.3.1 Voda Pro potřeby vysokoteplotní elektrolýzy je zapotřebí zajistit zdroj vody jako vstupního média splňující následující požadavky: - nepřetržitý provoz při průtoku vody 0 – 0,6 kg/hod (množství zaručující dostatečný scale-up laboratorních zkušeností a zisk provozních dat aplikovatelných pro průmyslové měřítko) - požadavek na kvalitu před vstupem do zařízení: 1. stupeň jakosti dle ČSN ISO 3696 - zaručující nepřetržitý provoz celého zařízení po dobu alespoň 240 hodin V místě umístění zařízení je zajištěna možnost připojení na vodovodní řád s rozvodem vody splňující požadavky na pitnou vodu. __________________________________________________________________________________ SUSEN – Vysokoteplotní elektrolýza s rekuperací tepla Technická specifikace 9 / 23

4.3.2 Vodík Za účelem zajištění správné katalytické funkce katody je nutno zajistit redukční podmínky, což je v praxi realizováno přídavkem určitého množství vodíku do vstupního proudu (zpravidla cca 10 hm. % vůči vodní páře). V rámci zařízení, které je předmětem této zakázky bude jako zdroj vodíku sloužit část proudu vznikajícího produktu. Pro potřeby nájezdu zařízení bude sloužit tlaková nádoba obsahující vodík (požadovaná čistota: 5.0 dle ČSN 65 4435) připojená do proudu vodní páry. Předmětem zakázky je pouze zařízení umožňující okamžité připojení standardní tlakové nádoby (šroubení) nikoliv nádoba samotná.

4.3.3 Dusík Pro režim nájezdu a odstavení zařízení (včetně elektrolyzéru) je nutné zajistit stálý průtok plynného média systémem (rovnoměrné sdílení tepla a správná funkce tepelných výměníků). Z hlediska rizika kondenzace vodní páry při nižších teplotách bude pro režim nájezdu a odstavení zařízení použito inertního plynu v podobě dusíku dodávaného z tlakové lahve (standardní čistota 4.0). Dusík bude současně sloužit jako plynné médium při havarijním stavu (detekci úniku vodíku) pro bezpečné odstavení zařízení zaručující kontrolované chladnutí elektrolyzéru. Předmětem zakázky je pouze zařízení umožňující okamžité připojení standardní tlakové nádoby (šroubení) nikoliv nádoba samotná.

4.3.4 Vzduch Vzduch bude jako médium použit v rámci celého zařízení na dvou místech. V první řadě bude sloužit jako médium simulující vysokoteplotní helium na vstupu do vysokoteplotního tepelného výměníku (VT3). Pro tyto účely bude využito okolního vzduchu s filtrací prachových nečistot. Současně bude vzduchu použito na kyslíkové straně elektrolyzéru pro odvod kyslíku jakožto vedlejšího produktu elektrolytického rozkladu molekuly vody. Předmětem zakázky je zařízení (např. kompresor, ventilátor, atp.) zajišťující dostatečný tok poplachového vzduchu elektrolyzérem (objemový tok odpovídající objemovému toku směsi vodní pára/vodík na katodě). Součástí zařízení bude též filtrace prachových částic na bázi hrubého tkaninového filtru s bypassem pro možnost jednoduchého odstavení filtru a využití neupraveného vzduchu.

4.4 Parogenerátor (PG) Pro převod vstupní kapalné vody do parního skupenství bude použito parogenerátoru, který lze realizovat dvěma způsoby. Buď jako tepelný výměník voda/voda s externím okruhem doplněným o oběhové čerpadlo a elektrický ohřev (simulace nízkopotenciálního zdroje tepla na elektrárnách). Druhou možností je parogenerátor jako přímý elektrický ohřev zajišťující odpar vody. V obou případech musí být zaručena správná funkce zařízení (kompletní odpar vody) pro proměnný průtok odpovídající 0 – 0,6 kg vody za hodinu.


4.5 Elektrolyzér Vlastní elektrochemická konverze vodní páry na vodík a kyslík probíhá v tzv. elektrolyzéru. Jde o stack (svazek) dílčích elektrolytických článků (SOEC – solid oxide electrolysis cell). Jednotlivé komerčně dostupné elektrolyzéry se mezi sebou liší materiály jednotlivých komponent (elektrolyt, anoda, katoda), pracovní teplotou, konfigurací (planární vs. tubulární) a v neposlední řadě příkon elektrolyzéru, který je dán počtem článků resp. jeho celkovou aktivní plochou. V rámci dodávky zařízení, která je předmětem této zakázky, musí elektrolyzér splňovat následující požadavky:

Důležité parametry Výkon: odpovídající průtoku vody až 0,6 kg/hod (cca 1 - 3 kW) Garantovaná životnost: alespoň 3000 provozních hodin a současně alespoň 20 teplotních cyklů Pracovní teplota: zajišťující experimenty dle kap. 6 (600 – 800 °C) Možnost využití též pro ko-elektrolýzu vody a oxidu uhličitého: ano Konfigurace stacku: planární (je komerčně dostupné, tubulární konfigurace je stále ve fázi výzkumu)

Integrace do systému Vlastní zařízení musí umožňovat snadnou integraci (přívody plynu i elektrické připojení) nejen elektrolyzéru, který je součástí zakázky, ale též jiných elektrolyzérů vyrobených provozovatelem. Potrubí pro přívod jednotlivých médií musí umožňovat variabilitu geometrie zapojení (pružné zapojení např. pomocí vlnovců) s minimálním pohybem 40 mm ve všech směrech pro každé potrubí.

4.6 Elektrický zdroj Součástí zařízení bude zdroj stejnosměrného elektrického proudu pro elektrolyzér s možností regulace proudu i napětí, přičemž jejich rozsah musí odpovídat potřebám integrovaného komerčního elektrolyzéru (dle aktivní plochy, počtu cell a proudové hustoty), který bude součástí dodávky zařízení. Elektrický zdroj musí umožňovat provoz zařízení v módu vysokoteplotních palivových článků pro případné budoucí experimenty, tzn. sloužit též jako elektrická zátěž. Vysokoteplotní palivový článek slouží ke zpětné konverzi vodíku na elektrickou energii a má srovnatelné parametry (pracovní teplota, výkon, konfigurace) jako výše uvedený elektrolyzér. Je požadováno, aby napětí i proud byly regulovatelné s přesnosti ±0,01 V resp. ±0,01 A.

4.7 Jednotka pro odlučování vody Dle navrženého schématu bude produkovaný vodík na výstupu z elektrolyzéru obsahovat zbytkové množství nezkonvergované vodní páry. Pokud bude pro správný chod zařízení nezbytné, bude nutné toto zbytkové množství vody z produkovaného vodíku odstranit. Za __________________________________________________________________________________ SUSEN – Vysokoteplotní elektrolýza s rekuperací tepla Technická specifikace 11 / 23

tímto účelem může být použita automaticky pracující jednotka pro odlučování vody (s možností regenerace) např. na principu adsorpce zajišťující kontinuální provoz vlastního experimentálního zařízení.

4.8 Řidící a diagnostický systém Diagnostický systém bude poskytovat řídicímu systému veškerá potřebná data pro řízení provozu celého testovacího zařízení. Současně zajistí sběr všech provozních dat v čase (tzn. teplot, tlaků, průtoků, elektrického napětí a proudu) pro následné vyhodnocení testů. Zpracování údajů diagnostických čidel, vizualizaci dat a jejich záznam bude provádět řídicí systém.

4.8.1 Řídicí systém Řídicí systém bude monitorovat, vyhodnocovat, vizualizovat, signalizovat, přímo a programově ovládat všechny systémy zařízení. Řídicí systém musí umožnit grafické a plně programovatelné ovládání parametrů, činnosti a součinnosti všech systému zařízení. Systém poskytne grafické vizualizační rozhraní dostupné na hlavním počítači. Součástí díla jsou všechny nezbytné programy, licence a kódy, nutné pro uživatelské sestavování testovacích sekvencí a aplikačního programu řídicího systému. Uživatel získá při předání díla kompletní aplikační zdrojový kód a současně všechna práva ke změnám a úpravám software, tak aby mohl volně a legálně měnit software řídicího systému podle své potřeby, přičemž nebudou prováděny žádné změny v době záruky. Vlastní řídicí systém musí současně umožňovat provoz zařízení v režimu nájezd a odstavení s možností uživatelem definovaných parametrů (průtoky jednotlivých médií, teplotní rampa atp.). Součástí řídicího systému bude též systém bezpečného odstavení celého zařízení v případě detekce úniku vodíku.

Datové komunikační rozhraní Řídicí systém musí umožňovat automatickou komunikaci prostřednictvím obousměrného datového komunikačního rozhraní. Instalovaná rezerva datových komunikačních kanálů, vstupů a výstupů musí být alespoň 10% každého druhu vstupu nebo výstupu. Garantovaná rozšiřitelnost řídicího systému musí umožnit pozdější rozšíření nejméně o 20% instalované kapacity, tzn: - rezerva paměti systému min. 40 %, - rezerva času systému min. 40 %, - rezerva počtu instalovaných (tj. osazených V/V kartami systému) volných vstupů a výstupů min. 30 % pro každý druh instalovaného V/V - prostorová rezerva ve skříních ŘS pro instalaci dalších I/O karet bude 10 % z počtu osazených karet, - rezervy volných žil v kabeláži sdružených signálů min. 15 % Dále bude řídicí systém: __________________________________________________________________________________ SUSEN – Vysokoteplotní elektrolýza s rekuperací tepla Technická specifikace 12 / 23

-

-

poskytovat provoznímu personálu i personálu údržby všechny potřebné údaje ve formě, která zajistí bezpečný a ekonomický provoz při minimálních nárocích na zatížení obsluhy, umožňovat simulaci proměnných, umožňovat provádění změn uživatelského SW v ŘS při provozu technologie.

Vlastní řídicí systém musí současně umožňovat provoz zařízení v režimu nájezd a odstavení s možností uživatelem definovaných parametrů (průtoky jednotlivých médií, teplotní rampa atp.). Součástí řídicího systému bude též systém bezpečného odstavení celého zařízení v případě detekce úniku vodíku.

4.8.2 Diagnostický systém Za účelem správného provozu zařízení, sběru dat a případné optimalizace procesu vysokoteplotní elektrolýzy bude zařízení vybaveno následujícími komponentami:

Měření teploty Teplota bude sledována u obou proudů vystupujících z elektrolyzéru, v peci, za jednotlivými elektrickými ohřevy a dále na vstupu a výstupu každého tepelného výměníku (včetně parogenerátoru), pokud se nebude jednat o duplicitní měření. Veškeré teploty budou měřeny a zaznamenávány s přesností ±0,1 °C.

Měření průtoků jednotlivých médií Vstupní množství vody bude kontinuálně sledováno průtokoměrem s možností regulace průtoku v rozmezí 0 – 0,6 kg/hod. Množství plynných médií bude sledováno průtokoměry s možností regulace, konkrétně půjde o dva průtokoměry na vzduch a dva průtokoměry na vodík: - vstup proplachového vzduchu kyslíkové strany elektrolyzéru, - vstupní vzduch simulující vysokoteplotní chladivo (hélium), - průtok vznikajícího vodíku (za sušící jednotkou), - průtok vodíku přidávaného do proudu vodní páry (recykl). Jednotlivé průtokoměry budou mít rozsah regulace zajišťující následující průtoky: - průtokoměr proplachového vzduchu: 0 – 14 lN/min (odpovídající objemový tok směsi 50 mol. % vodní páry a 50 mol. % vodíku), - průtokoměr vstupního vzduchu vysokoteplotního výměníku: zajišťující dostatečný tok vzduchu pro ohřev reakční směsi vodní pára/vodík na 800 °C, - vstupní vodíkový průtokoměr: průtokoměr zajišťující složení směsi před vstupem do elektrolyzéru 50 mol. % vodní páry a 50 mol. % vodíku, - výstupní vodíkový průtokoměr: maximální průtok dle maximálního výkonu komerčního elektrolyzéru, který bude součástí zakázky. Je požadováno, aby přesnost regulace průtoků jednotlivých plynných médií odpovídala standardní hodnotě max. ±1 % FS (full scale) a regulace kapalných médií hodnotě max. __________________________________________________________________________________ SUSEN – Vysokoteplotní elektrolýza s rekuperací tepla Technická specifikace 13 / 23

±0,5 % FS (full scale). Průtoky všech médií budou měřeny a zaznamenávány s přesností na tři platné číslice.

Měření tlaku Tlak bude sledován na následujících místech: - na jednotlivých vstupech a výstupech všech tepelných výměníků, pokud se nebude jednat o duplicitní měření. Veškeré tlaky budou měřeny a zaznamenávány s přesností ±1000 Pa.

Přenos a záznam dat Všechny přístroje musí naměřená data přenášet do řídicího systému. Řídicí systém zajistí záznam průběhu testů a všech měřených hodnot. Data budou ukládána na vyčleněný datový server. Záznam všech měřených hodnot s možností nastavení intervalu 1 – 60 s.

Kalibrace přístrojů Všechny měřicí přístroje musí být před instalací kalibrovány a musí být doložen protokol o kalibraci ke každému jednotlivému čidlu.

4.9 Příslušenství Nářadí na demontáže a montáže Součástí dodávky musí být kompletní sada nářadí a přípravků, které jsou nutné nebo vhodné pro obsluhu, provoz a údržbu zařízení. Mimo jiné pro demontáž a montáž všech přístrojů, manipulaci s diagnostickými přístroji, mechanické ovládání uzávěrů nebo výměnu všech těsnění.

4.10 Další požadavky 4.10.1 Zajištění proti kondensaci Všechny části zařízení, kde by mohlo docházet ke kondenzaci vodní páry, musí být zajištěny patřičnou izolací, tak aby ke kondenzaci nedocházelo. Konkrétně se jedná o vstupní potrubí vodní páry od simulovaného parogenerátoru k elektrolyzéru (peci) a výstupní potrubí směsi vodíku s vodní párou z elektrolyzéru (pece) až po sušící jednotku.

4.10.2 Elektrický ohřev proplachového vzduchu pro nájezd zařízení Na kyslíkové straně elektrolyzéru bude realizován proplach vzduchem zajišťující odvod vznikající kyslíku. Pro potřeby nájezdu elektrolyzéru bude použit elektrický předehřev vstupujícího vzduchu až na požadovanou teplotu (800 °C) p ři požadovaném průtoku vzduchu. __________________________________________________________________________________ SUSEN – Vysokoteplotní elektrolýza s rekuperací tepla Technická specifikace 14 / 23

Výkon ohřevu musí být odpovídající průtoku vzduchu a umožňovat regulaci (ohřev) s teplotní rampou 1 – 3 °C/min. s p řesností 0,5 °C/min (lze řídit dle teploty pece). Průtok vzduchu odpovídá výkonu elektrolyzéru (stechiometrický poměr kyslíku a vodíku).

4.10.3 Přídavek vodíku do vstupní vodní páry Za účelem zajištění redukčních podmínek na katodě je nutno, aby vstupní proud vodní páry obsahoval určité množství vodíku (cca 50 mol. %). Zařízení musí umožňovat kontinuální dávkování odpovídajícího množství vodíku z tlakové lahve do proudu vodní páry (ideálně v místě za elektrickým ohřevem simulujícím parogenerátor) pro režim nájezdu a odstavení zařízení a současně recykl v podobě využití části proudu vznikajícího vodíku s možností regulace jeho průtoku.

4.10.4 Zálohování napájení Řídicí a diagnostický systém včetně řídících počítačů bude napájen ze zajištěné napájecí sítě experimentální haly. Pro eliminaci krátkodobých výpadků bude vybaven vlastním záložním zdrojem se zálohou činnosti proti výpadku elektrické energie na dobu 10 minut. Při výpadku elektrického napájení ze sítě musí dojít k plynulému přechodu na záložní zdroj (UPS), který bude zajišťovat elektrickou energii pro všechny komponenty zařízení s výjimkou pece a elektrického zdroje pro ohřev vody a vzduchu. Experimentální zařízení v případě přechodu na záložní zdroj musí pokračovat v nastaveném režimu provozu (s výjimkou pece a elektrického zdroje pro ohřev vody a vzduchu). V případě trvání výpadku 9 minut, musí dojít k uzavření vstupního ventilu vodíku z tlakové nádoby, zastavení přívodu vody a vypnutí elektrického zdroje elektrolyzéru. V případě obnovení dodávek elektrické energie ze sítě do 10 minut musí dojít k návratu do provozního stavu před výpadkem, přičemž je nutno zajistit maximální ohřev/chladnutí pece s teplotní rampou max. 1 °C/min. V p řípadě obnovení dodávek elektrické energie ze sítě po více než 10 minutách musí zůstat vstupní ventily všech médií uzavřeny a dojít k řízenému chladnutí pece s teplotní rampou max. 1 °C/min s p řesností 0,5 °C/min (viz bod 4.1) po čínající aktuální teplotou po obnovení dodávek elektrické energie.

4.10.5 Provedení Potrubí a potrubní komponenty systému budou provedeny z běžné nerezové oceli, tzn. oceli typu tř. 17, vysokoteplotní komponenty pak z patřičného materiálu odolávajícího daným podmínkám (např. inconel, atp.).

4.10.6 Umístění zařízení Kompletní zařízení včetně napojení na zdroj nízkého napětí bude realizováno v objektu č. 213 – Experimentální hala v areálu skupiny ÚJV v Řeži.

4.10.7 Parametry zařízení __________________________________________________________________________________ SUSEN – Vysokoteplotní elektrolýza s rekuperací tepla Technická specifikace 15 / 23

Kompletní zařízení bude umístěno v prvním nebo druhém podlaží Experimentální haly (objekt č. 213), proto musí být vybaveno ocelovou nosnou konstrukcí s úchyty pro možnost manipulace jeřábem s nosností 10 000 kg. Zařízení by současně mělo být co nejkompaktnější, jeho maximální rozměry jsou stanoveny následovně: délka x šířka x výška = 3,5 x 2,5 x 2,5 m.


5. BEZPEČNOST ZAŘÍZENÍ 5.1 Klasifikace bezpečnosti zařízení Na základě detailního popisu v předchozí kapitole lze z hlediska bezpečnosti identifikovat následující rizika, které mohou během provozu nastat: - únik vysokoteplotní páry, - únik vodíku, - rizika spojená s částmi pod elektrickým proudem. Na základě identifikovaných rizik musí být zařízení designováno a postaveno s maximální možnou minimalizací jejich výskytu a v souladu s veškerými platnými evropskými normami pro plynová zařízení pracujícími s výbušnými plyny.

5.2 Lokalizace experimentálního zařízení a požární ochrana Umístění a následný provoz zařízení je plánován v experimentální hale, objekt 213 v areálu ÚJV Řež. Hala je vybavena standardním systémem elektrické požární signalizace a dalším požárně-technickým zařízením, především hasicími přístroji (není předmětem dodávky). Experimentální hala je koncipována jako jeden požární úsek s detekcí úniku vodíku a oxidu uhličitého. V objektu je instalován centralizovaný rozvod následujících plynů: CO2, He, H2, O2, Ar, N2. Z bezpečnostních důvodů bude zařízení vybaveno systémem detekce vodíku. V případě detekce vodíku na úrovni 20 % dolní meze výbušnosti (Alarm 1) je nutné, aby došlo k odstavení zařízení jako v případě dlouhodobého výpadu elektrického proudu (více než 10 minut) při zachování kontrolovaného chladnutí pece s teplotní rampou 1 °C/min. V p řípadě detekce vodíku na úrovni více než 80 % dolní meze výbušnosti (Alarm 2) musí dojít k okamžitému uzavření vstupních ventilů všech vstupních médií a odstavení veškerého přívodu elektrické energie do všech částí zařízení. V okamžiku jakékoliv detekce vodíku musí zařízení dálkově informovat místní hasičskou jednotku a operátora o přítomnosti vodíku a jeho koncentraci (např. formou odeslání SMS na předem definované číslo).

5.3

Bezpečnost při výpadku elektrického napájení

Výpadek elektrického napájení představuje pro zařízení dvě základní rizika: ztráta kontroly nad řídicím systémem zařízení a nekontrolovaný proces chladnutí elektrolyzéru. Při dlouhodobém výpadku elektrického napájení hrozí při rychlém chladnutí nevratné poškození elektrolyzéru (jeho keramických komponent). Za účelem zachování plné kontroly nad zařízením a systému ukládání dat je požadováno vybavení záložním zdrojem v podobě UPS, kdy dostatečná doba zajištění záložního elektrického napájení systému je stanovena na 10 minut. Z hlediska ohřevu pece je nutné, aby po obnovení dodávek elektrické energie došlo __________________________________________________________________________________ SUSEN – Vysokoteplotní elektrolýza s rekuperací tepla Technická specifikace 17 / 23

k automatickému pokračování režimu probíhajícího před výpadkem (kontrolovaný ohřev, chladnutí či udržování konstantní teploty) s ohledem na maximální teplotní rampu ohřevu/chladnutí 1 °C/min, tak jak je popsáno v kapito le 4.10 Další požadavky – Zálohování napájení.

5.4

Bezpečnost při provozu zařízení

Bezpečnost provozu zařízení bude probíhat v souladu s bezpečnostně provozním předpisem objektu a pracoviště a v souladu s pracovními a bezpečnostními instrukcemi pracoviště. Dokument „Pracovní a bezpečnostní instrukce pracoviště“ bude součástí dodávky a musí být vypracován před zahájením provozu zařízení a umístěn na pracovišti.

5.5

Odvod vznikajícího vodíku

Vznikající vodík bude sušen a částečně využíván k recyklu za účelem zajištění redukčních podmínek proudu vodní páry. Zbylé množství vodíku bude odváděno ven mimo objekt Experimentální haly do atmosféry řádně označeným potrubím, které je součástí dodávky.


6. MINIMÁLNÍ PROGRAM TESTŮ Minimální rozsah testů stanovuje testy, jejichž provedení musí zařízení umožnit. Parametry a provedení zařízení musí odpovídat požadavkům níže uvedených testů.

6.1 Průběh testů Průběh testů v oddíle 6.3 je určen pro vytvoření představy o průběhu testovacího provozu zařízení a pro stanovení cenové nabídky na dodávku zařízení. Průběh testů musí být programovatelný a zařízení musí umožnit pružnou změnu parametrů testů.

6.2 Popis jednotlivých testů Hlavními proměnnými parametry během testů budou teplota elektrolyzéru, hmotnostní průtok vodní páry vstupující do elektrolyzéru a hmotnostní průtok vzduchu jako média simulujícího vysokoteplotní chladivo (helium). Testy lze rozdělit do dvou skupin: testy v ustáleném stavu a testy dynamické. Oba dva typy testů jsou detailněji popsány níže.

Testy v ustáleném stavu Je požadováno, aby zařízení umožňovalo dlouhodobý experimentální provoz. Jako minimální program testů v ustáleném stavu se rozumí experimenty zahrnující: - dva různé průtoky vody (tzn. maximální průtok 0,6 kg/hod a průtok na úrovni 80 % maximálního průtoku), - dva různé průtoky vzduchu při parametrech °C a MPa, kterou budou odpovídat potřebám průtoku vody definovaných v předchozím bodě a to pro libovolné pracovní teploty elektrolyzéru v rozmezí alespoň 600 – 800 °C. Dlouhodobými testy v ustáleném stavu jsou na základě dosavadní praxe myšleny experimenty probíhající po dobu 24 – 240 hodin, během nichž jsou sledovány následující parametry: - teplota elektrolyzéru (není-li pevně daná), - tlaková ztráty na obou stranách tepelného výměníku simulujícího využití tepla vysokoteplotního chladiva (tepelný výměník vodní pára/vzduch), - výkon elektrolyzéru.

Dynamické testy Kromě dlouhodobých experimentů v ustáleném stavu je též důležité znát charakteristiku ohřevu elektrolyzéru, aby bylo možné přesně predikovat, kdy zařízení dosáhne předem požadovaných parametrů (pracovní teploty, při níž dochází k vysokoteplotní elektrolýze vody). Parametry i požadované výsledky obou dvou typů popsaných testů (ustálený stav a dynamický test) uvádí přehledně následující tabulka. __________________________________________________________________________________ SUSEN – Vysokoteplotní elektrolýza s rekuperací tepla Technická specifikace 19 / 23

6.3 Souhrn testovacích úkolů Sumarizace testů Test

Typ testu

1

Ustálený stav

2

Ustálený stav

3

Ustálený stav

4

Dynamický

Celková délka testu 1 vzorku [hod]

24 – 240

10 – 50

Proměnné parametry

Výsledky

Tsmyčka = 600 – 800 °C (krok 50 °C) Průtok vzduchu (Q“He“) Vstupní průtok vody (QH2O)

Telektrolyzér ΔpH2O Δp“He“

tohřev


7. TECHNICKÁ SPECIFIKACE ZAŘÍZENÍ Tato technická specifikace obsahuje minimální povinné požadavky, které zařízení musí splnit.

7.1 Celkové parametry zařízení Vstupní média: - voda, - vodík, - dusík, - vzduch. Úprava vody: - průtok vstupní vody: 0 – 0,6 kg/hod, - požadavky na kvalitu vody: 1. stupeň jakosti dle ČSN ISO 3696, - požadavky na kvalitu vodíku: 5.0 dle ČSN 65 4435 - požadavky na kvalitu vzduchu: filtrace prachových částic na bázi tkaninového filtru - nepřetržitý provoz po dobu minimálně 240 hodin.

hrubého

Rozměry zařízení: co nejkompaktnější s ocelovou nosnou konstrukcí pro možnost manipulace, maximální rozměry: délka x šířka x výška = 3,5 x 2,5 x 2,5 m.

7.2 Pec Zařízení pro udržování konstantní pracovní teploty elektrolyzéru včetně možnosti kontrolovaného ohřevu/chladnutí pro nájezd/odstavení zařízení. Parametry: - Vnitřní rozměry: s dostatečnou rozervou pro elektrolyzér - Pracovní teplota: zaručující pracovní teplotu elektrolyzéru až 800 °C - Možnost řízeného ohřevu/chladnutí v rozmezí 1 – 3 °C/min s p řesností ±0,5 °C/min

7.3 Výměníky Optimální počet tepelných výměníků pro efektivní rekuperaci tepla. Efektivní rekuperací tepla se rozumí využití tepelné energie obou výstupních proudů elektrolyzéru (vodík se zbytkovým množstvím vodní páry a vzduch obohacený o kyslík) tak, aby výstupní teplota obou proudů po rekuperaci nepřekročila hodnotu 100 °C. Sou částí zakázky je též tepelný výměník směsi vodní pára + vodík/vzduch simulující zdroj tepla v podobě vysokopotenciálního helia. Minimální tepelný spád každého použitého výměníku nesmí překročit hodnotu 50 °C.


7.4 Parogenerátor Velikost: zajišťující bezproblémový odpar až 0,6 vody za hodinu. Vstupní teplota: na základě rekuperace energie ze vznikajícího vodíku (ideálně 90 – 100 °C). Výstupní teplota: dle designu parogenerátoru, nicméně pro ohřev vodní páry bude sloužit „heliový“ výměník, proto je potřeba, aby výstupní teplota pouze zaručovala, že nebude docházet ke zpětné kondenzaci vodní páry.

7.5 Přívod vzduchu Vstup do výměníku VT3 Vstup do elektrolyzéru Vstup pomocí např. ventilátoru, kompresoru Velikost: dostatečné pro přívod do výměníku VT3 a elektrolyzéru Regulace: možnost regulace pro oba vstupy (výměník VT3 a elektrolyzér) Výstup vzduchu: do prostoru haly

7.6 Průtokoměry Pro vodík a dusík + rezerva (např. CO pro případný budoucí provoz palivového článku) Velikost průtokoměru: dostatečná podle velikosti elektrolyzéru Výstup:

dusík do prostoru haly vznikající vodík odváděn mimo prostory haly

7.7 Elektrolyzér Pracovní teplota: 600 – 800 °C. Výkon: odpovídající průtoku vody až 0,6 kg/hod (cca 1 – 3 kW).

7.8 Elektrický zdroj Výkon: odpovídající požadavkům elektrolyzéru, který je součástí dodávky, tzn. cca 1 – 3 kW. Další parametry: možnost regulace napětí a proudu.

7.9 Sušící jednotka Pro potřeby odstranění nezreagovaného množství vodní páry pro potřeby zamezení její kondenzace v potrubí.


7.10 Diagnostický systém Za účelem správného provozu zařízení, sběru dat a případné optimalizace procesu vysokoteplotní elektrolýzy bude zařízení vybaveno následujícími komponentami: - měření teploty jednotlivých médií před a za každým tepelným výměníkem (počet a poloha měřících míst dle návrhu dodavatele), - měření a regulace vstupního průtoku jednotlivých médií o průtokoměr vzduchu (proplach kyslíkové strany elektrolyzéru), o průtokoměr vzduchu (simulace vysokoteplotního helia). o průtokoměr vodíku (recykl), o průtokoměr vodíku (vznikající vodík, za sušící jednotkou), - měření tlaku před a za každým tepelným výměníkem (počet a poloha měřících míst dle návrhu dodavatele), - systém ukládání dat (dle návrhu dodavatele). -

7.11 Řídicí systém Řídicí systém bude monitorovat, vyhodnocovat, vizualizovat, signalizovat, přímo a programově ovládat všechny systémy zařízení. Řídicí systém musí umožnit grafické a plně programovatelné ovládání parametrů, činnosti a součinnosti všech systému zařízení. Systém poskytne grafické vizualizační rozhraní dostupné na hlavním počítači.

7.12 Bezpečnostní systém Dle stávajících platných evropských norem pro elektrická a plynová zařízení (práce s výbušnými plyny).


Vysokoteplotní elektrolýza s rekuperací tepla

Recommend Documents