Competitiveness of Fuel Cells Comparing with the Traditional Electric and Thermal Power Generation Technologies
Volumes and implementation rates of electrical and heat power generation technologies utilizing fuel elements, which can be observed during the last decade, calls forth need of estimate of their competitiveness relative to major classes of traditional power generation technologies, which is a prereq...
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/527 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871103992742805504 |
|---|---|
| author | Shulzhenko S.V. Denysov V.A. |
| author_facet | Shulzhenko S.V. Denysov V.A. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Shulzhenko S.V.",
"institution": null
},
{
"author": "Denysov V.A.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Shulzhenko S.V. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:41Z |
| description | Volumes and implementation rates of electrical and heat power generation technologies utilizing fuel elements, which can be observed during the last decade, calls forth need of estimate of their competitiveness relative to major classes of traditional power generation technologies, which is a prerequisite for their further commercial use in the national power systems.The main technical and economy parameters of fuel cells power generation utilization in the framework of their well-refined layout schedule are presented, which is used for commercialization in the present time.A mathematical model of calculations performance for estimate of cost, selling tariffs and competitiveness regarding traditional electric and heat power generation technologies, for a technology plant utilizing molten-carbonate fuel cells, is presented.The results obtained permit to draw a conclusion about competitiveness of MCFC-technology plants already at current technology development stage. |
| first_indexed | 2026-03-24T02:02:06Z |
| format | Article |
| fulltext |
29ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 3 (38)
УДК 332.873: 658.18 С.В. ШУЛЬЖЕНКО канд. техн. наук, В.А. ДЕНИСОВ
Інститут загальної енергетики НАН України, вул. Антоновича, 172,
м. Київ, 03680, Україна
КОНКУРЕНТОСПРОМОЖНІСТЬ ПАЛИВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ ВІДНОСНО ТРАДИЦІЙНИХ
ТЕХНОЛОГІЙ ВИРОБНИЦТВА ЕЛЕКТРИЧНОЇ ТА ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ
Проаналізовано рівень поточного технологічного розвитку паливних елементів, які
можуть бути використані для стаціонарного виробництва електричної та теплової енер-
гії. Наведено досягнуті на сьогодні техніко-економічні показники карбонатно-розплав-
них паливних елементів (molten-carbonate fuel cells – MCFC). Наведено формулювання
математичної моделі життєвого циклу, з використанням якої здійснені варіантні розра-
хунки собівартості та відпускного тарифу на електричну та теплову енергію, що вироб-
ляється MCFC-технологічною установкою. Отримані результати розрахунків свідчать
про потенційну конкурентоспроможність паливних елементів, зокрема, MCFC-техноло-
гічних установок відносно АЕС та газотурбінних установок у найближчій перспективі.
К л ю ч о в і с л о в а: паливний елемент, економічна ефективність, математична модель,
електрична енергія, теплова енергія.
Обсяги і темпи впровадження новітніх та пер-
спективних технологій виробництва електрич-
ної та теплової енергії в сучасних умовах регу-
лювання діяльності енергетики, а саме за умов
застосування ринкових принципів її регулю-
вання, суттєво залежать від економічної при-
вабливості їх використання впродовж життєво-
го циклу. Крім економічної ефективності важ-
ливим є також врахування фізико-технічних
особливостей технології, що розглядається,
оскільки це дозволяє її коректно порівняти з
іншими, альтернативними, енергетичними тех-
нологіями. Насамперед, до цих, фізико-техніч-
них, показників відносяться режимні особли-
вості роботи технології. У випадку технологій
генерації електроенергії – це здатність зміню-
вати потужність генерації відповідно до потре-
би, а також вид та обсяги палива, що спожива-
ється в процесі роботи технології. Саме з ураху-
ванням цих факторів у статті проаналізована
конкурентоздатність технологій, що побудова-
ні з використанням паливних елементів.
За принципом дії паливний елемент є гене-
ратором постійного електричного струму, який
утворюється внаслідок хімічних реакцій за уча-
стю водню, що потенційно дозволяє його
застосування з використанням усякої хімічної
сполуки, до складу якої входить водень. Різні
технології застосування паливних елементів
дозволяють генерувати електричну енергію в
широкому діапазоні – від декількох Вт до
сотень кВт і, навіть більше, що зумовлює пер-
спективи їх використання, зокрема і для про-
мислового виробництва електроенергії.
Комерціалізація технологій із застосуванням
паливних елементів для стаціонарного генеру-
вання електроенергії особливо стрімко відбува-
ється [1] впродовж останніх п’яти років (див.
рис. 1). Серед різноманітних типів паливних
елементів для використання їх як стаціонарно-© С.В. ШУЛЬЖЕНКО, В.А. ДЕНИСОВ, 2014
НАУКОВІ ОСНОВИ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ
ТА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧОЇ ПОЛІТИКИ
30 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 3 (38)
С.В. ШУЛЬЖЕНКО, В.А. ДЕНИСОВ
го джерела енергії особливо привабливими
визнаються, зокрема, карбонатно-розплавні,
що зумовлено, зокрема, відсутністю необхідно-
сті використання в них дорогих каталізаторів,
наприклад, платинових.
Одночасно з нарощуванням темпів викори-
стання паливних елементів у світі відбувається
також зниження питомої вартості встановленої
потужності цієї технології (табл. 1), що за умов
збереження тенденції до їх подальшого здешев-
лення зумовлює перспективність поширення
цієї технології в майбутньому.
Оскільки для роботи паливного елемента
необхідний водень, то в ролі вхідної сировини
може використовуватись теоретично будь-яка
хімічна сполука, що містить його в собі. На сьо-
годні для використання в MCFC перспектив-
ними визнаються природний газ, а також біо-
газ, який, наприклад, може бути отриманий
внаслідок анаеробного зброджування біологіч-
них відходів, зокрема, на міських станціях
аерації. Незважаючи на суттєву екологічну
перевагу енергетичного використання біогазу
зі станцій аерації як сировини для MCFC,
необхідність його очищення від агресивних та
токсичних сполук, таких як H2S і важких мета-
Рис. 1. Обсяг продажу та встановлена потужність паливних елементів у світі
Таблиця 1 – Динаміка розвитку технології карбонатно-розплавних паливних елементів
31ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 3 (38)
Конкурентоспроможність паливних елементів відносно традиційних технологій виробництва електричної та теплової енергії
лів, негативно впливає як на економічну ефек-
тивність використання паливних елементів, так
і на їх технологічну працездатність. Внаслідок
цього в багатьох пілотних установках у ролі
сировини використовується природний газ.
Для розрахунку техніко-економічних показ-
ників енергетичного використання паливних
елементів була використана достатньо
опрацьована технологічна схема їх компонов-
ки, яка нині використовується для комерціалі-
зації (рис. 2). Як приклад конкретної системи,
що має бути запроваджена та використовува-
тись вибрано установку потужністю 4×300 кВт,
виробником якої є компанія FuelCell Energy
Solutions GmbH, і яка планується до введення в
експлуатацію в 2014 році (рис. 3) [2].
Для розрахунків були використані такі вхід-
ні дані (див. табл. 1 та [3]):
Рис. 2. Технологічна блок-схема функціонування MCFC-технологічної установки на природному газі
Рис. 3. Вигляд установки з встановленою потужністю 4×300 кВт
– Питомі інвестиції 2000–5000 дол. США/кВт,
в тому числі:
– батарея 2000 – 4000 дол. США/кВт,
– інфраструктура 1000 дол. США/кВт.
– Зниження продуктивності батареї 2,2% на
рік.
– Тривалість служби об’єкта – 20 років,
заміна батареї через кожні 5 років.
– Відрахування на заміну батареї 400 – 1000
дол. США/рік.
– Споживання природного газу 256 м3/год.
– Потужність установки 1200 кВт.
– Вартість природного газу 300 – 600 дол.
США/тис м3.
– Кількість персоналу – 6 чоловік, зарплата
11000 дол. США/рік.
– Коефіцієнт використання встановленої
потужності впродовж року – 90%.
– Корисний відпуск електроенергії 47%,
теплової енергії 27%.
– Рівень інфляції 3%, процентна ставка дис-
конту 5%.
Розрахунки здійснювались з використанням
наступної математичної моделі, яка враховує
технологічні особливості експлуатації об’єкта
протягом всього його життєвого циклу.
Початкові інвестиційні витрати:
І1 = (Собладнання + Свстановлення) × Р0,
де І1 – сумарні витрати на обладнання та вста-
новлення (дол. США);
Собладнання – питома вартість обладнання
(дол. США/кВт);
Свстановлення – питома вартість встановлення
(дол. США/кВт);
Р0 – початкова електрична потужність (кВт).
Операційні витрати на паливо:
де Рзагальна – сумарна електрична плюс теплова
потужність, кВт;
νпалива – питомі витрати палива, м3/год;
Vпалива –витрати палива за рік, м3;
K1
інфляції, Kn
інфляції – коефіцієнти інфляції за
перший та n-й роки;
I1
палива, In
палива – вартість палива за перший
та n-й роки, дол. США;
IΣ
палива – сумарна вартість палива за період,
що моделюється, дол. США;
Cпалива – ціна палива, дол. США.
Операційні витрати на воду:
де νводи – питомі витрати води, м3/год;
Vводи – витрати води за рік, м3;
I1
води, In
води – вартість води за перший та n-й
роки, дол. США;
IΣ
води – сумарна вартість води за період, що
моделюється, дол. США.
Інші витрати:
де l – питомі витрати на сервісне обслуговуван-
ня протягом року, дол. США/кВт;
L1, Ln – річні витрати на сервісне обслугову-
вання протягом першого та n-го років, дол.
США;
LΣ – сумарні витрати на сервісне обслугову-
вання протягом періоду, що моделюється, дол.
США;
w – річна зарплата одного робітника, дол.
США;
m – кількість робітників;
W1, Wn – сумарна зарплата протягом
першого та n-го років, дол. США;
WΣ – сумарна зарплата протягом періоду, що
моделюється, дол. США.
Сумарні операційні витрати:
32 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 3 (38)
С.В. ШУЛЬЖЕНКО, В.А. ДЕНИСОВ
де OE1 – сумарні операційні витрати протягом
першого року, дол.США;
OEn – сумарні операційні витрати протягом
n-го року, дол. США;
OEΣ– сумарні операційні витрати протягом
періоду, що моделюється, дол. США.
Вироблення та собівартість електроенергії:
де A1
Е, An
Е – обсяги вироблення електричної
енергії протягом першого та n-го років, кВт•год;
AΣ
E – сумарний обсяг вироблення електрич-
ної енергії протягом періоду, що моделюється,
кВт•год;
Dn – дисконт;
WTn – обсяг амортизаційних відрахувань;
Cn
Е – собівартість електричної енергії в n-му році.
Вироблення та собівартість теплової енергії
розраховуються за аналогічними формулами.
Результати розрахунків собівартості елек-
тричної енергії, якщо всі затрати віднесені
лише на випуск електричної енергії MCFC-тех-
нологічної установки, зведені в табл. 2.
33ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 3 (38)
Конкурентоспроможність паливних елементів відносно традиційних технологій виробництва електричної та теплової енергії
Таблиця 2 – Результати розрахунків
собівартості електричної енергії
MCFC-технологічної установки
Рис. 4. Приклад результатів розрахунків собівартості електричної та теплової енергії
протягом життєвого циклу MCFC-технологічної установки
Приклад результатів розрахунків динаміки
собівартості електричної та теплової енергії
протягом життєвого циклу MCFC-технологіч-
ної установки наведено на рис. 4.
Результати розрахунків собівартості та ціни
(з урахуванням рентабельності 15%) на елек-
тричну та теплову енергії MCFC-технологічної
установки зведені в табл. 3.
Порівняння одержаних значень собівартості
з «Зеленими тарифами» [4]:
Установити «зелені» тарифи на електричну
енергію, вироблену суб’єктами господарюван-
ня на об’єктах електроенергетики, що викори-
стовують альтернативні джерела енергії, на
жовтень 2013 року згідно з додатком, без ПДВ,
коп/кВт•год:
• Виробники електричної енергії з енергії
вітру – 122,77.
• Виробники електричної енергії з біома-
си – 134,46.
• Виробники електричної енергії з біогазу
– 134,46.
• Виробники електричної енергії з енергії
сонячного випромінювання (наземні об’єк-
ти) – 505,09.
• Виробники електричної енергії мікро-,
міні- та малими гідроелектростанціями –
126,27,
та тарифами інших технологій, що генерують
електричну енергію [5]:
«Установити на жовтень 2013 року роздрібні
тарифи на електроенергію з урахуванням
граничних рівнів тарифів при поступовому
переході до формування єдиних роздрібних
тарифів для споживачів на території
України:… Енергопостачальні компанії…
згідно з класом напруги без ПДВ,
коп/кВт•год 1 клас напруги – 81,11, 2 клас
напруги – 103,24»;
а також з тарифами на теплову енергію:
За даними Нацкомпослуг середньозважений
тариф на теплову енергію, який платить
населення, становить 227 грн/Гкал. При
цьому економічно обґрунтований рівень
тарифу становить 312 грн/Гкал [5].
Вартість 1 Гкал теплової енергії в січні
2013 року становила: для населення —
403,49 грн, для бюджетних організацій —
742,48 грн, для інших споживачів —
875,63 грн с урахуванням ПДВ [6],
дозволяє зробити висновок про конкуренто-
спроможність MCFC-технологічних установок
вже нині.
ВИСНОВКИ
Прогрес у розробці технологій використан-
ня паливних елементів для стаціонарного
виробництва електричної та теплової енергії є
суттєвим, особливо впродовж останніх
5–10 років. Наприклад, станом на 2013 рік
питома вартість встановленої потужності кар-
бонатно-розплавних паливних елементів ста-
новила 3500 – 5000 дол. США/кВте і очікується
її подальше зниження. Широкий діапазон оди-
ночних потужностей паливних елементів доз-
воляє за модульним принципом створювати
генеруючі потужності збалансовані до потреби
споживачів, що є привабливим, наприклад, для
організації енергозабезпечення офісних та тор-
34 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 3 (38)
С.В. ШУЛЬЖЕНКО, В.А. ДЕНИСОВ
Таблиця 3 – Результати розрахунків собівартості та ціни електричної
та теплової енергії MCFC-технологічної установки
гівельних будівель. Це потенційно зумовлює
перспективність їх використання як елемента
активної генерації енергії в розподілених мере-
жах (smart-grid), який не потребує тривалих
термінів розробки проектів їх використання,
введення та виведення їх з експлуатації.
З використанням паливних елементів як
стаціонарного джерела електричної та теплової
енергії, для якого первинним джерелом енергії
є біогаз, можливо підвищити екологічність
процесів поводження з побутовими та сіль-
ськогосподарськими відходами, а також відхо-
дами харчової промисловості.
Найбільш ефективним способом викори-
стання паливних елементів є сумісна генерація
електричної та теплової енергії, що вже на
сучасному етапі технологічного розвитку доз-
воляє їм бути конкурентоздатними відносно
традиційних енергетичних технологій, наприк-
лад, відносно атомних електростанцій та газо-
турбінних установок.
1. The Fuel Cell Industry Review 2013
[Електронний ресурс]. – Режим доступу:
http://www.fuelcelltoday.com/analysis/industry
-review/2013
2. Альтернативна енергетика [Електронний
ресурс]. – Режим доступу: http://alte-
energy.com/energy-efficiency/item/654-fuel-
cell-energy-pobedy-dlya-ustanovki-toplivnykh-
elementov-dlya-elektrostantsii-landmark
3. Shin Ae Song, Jonghee Han, Sung Pil Yoon,
Suk Woo Nam, In-Hwan Oh and Dae Ki Choi
Economic Feasibility Study for Molten
Carbonate Fuel Cells Fed with Biogas // Journal
of Electrochemical Science and Technology 2. –
2010. – Vol. 1, No. 102. – 111 р.
4. Національна комісія, що здійснює дер-
жавне регулювання у сфері енергетики.
Постанова 26.09.2013 № 1278, в яку вносять-
ся зміни постановами НКРЕ від 10.10.2013
№ 1317, від 17.10.2013 № 1344, Київ, Про
встановлення «зелених» тарифів на елек-
тричну енергію на жовтень 2013 року
[Електронний ресурс]. – Режим доступу:
http://www.nerc.gov.ua/?id=7942
5. Національна комісія, що здійснює дер-
жавне регулювання у сфері енергетики.
Постанова 24.10.2013 № 1365, Київ, Щодо
встановлення на листопад 2013 року роз-
дрібних тарифів на електроенергію з ураху-
ванням граничних рівнів тарифів при посту-
повому переході до формування єдиних роз-
дрібних тарифів для споживачів на території
України [Електронний ресурс]. – Режим
доступу: http://www.nerc.gov.ua/?id=8130
6. [Електронний ресурс]. – Режим доступу:
http://from-ua.com/news/ 5c9c64f1b5210.
html
7. [Електронний ресурс]. – Режим доступу:
http://www.nerc.gov.ua/?id=8130
Надійшла до редколегії 12.03.2014
35ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 3 (38)
Конкурентоспроможність паливних елементів відносно традиційних технологій виробництва електричної та теплової енергії
|
| id | systemreorg-article-527 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:17:01Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/c6/7a7c145dbef8fa42fd0282c7190de4c6.pdf |
| spelling | systemreorg-article-5272026-07-18T12:57:41Z Competitiveness of Fuel Cells Comparing with the Traditional Electric and Thermal Power Generation Technologies Конкурентоспроможність паливних елементів відносно традиційних технологій виробництва електричної та теплової енергії Shulzhenko S.V. Denysov V.A. fuel cell, efficiency, mathematical model, electric power, heat energy. паливний елемент, економічна ефективність, математична модель, електрична енергія, теплова енергія. Volumes and implementation rates of electrical and heat power generation technologies utilizing fuel elements, which can be observed during the last decade, calls forth need of estimate of their competitiveness relative to major classes of traditional power generation technologies, which is a prerequisite for their further commercial use in the national power systems.The main technical and economy parameters of fuel cells power generation utilization in the framework of their well-refined layout schedule are presented, which is used for commercialization in the present time.A mathematical model of calculations performance for estimate of cost, selling tariffs and competitiveness regarding traditional electric and heat power generation technologies, for a technology plant utilizing molten-carbonate fuel cells, is presented.The results obtained permit to draw a conclusion about competitiveness of MCFC-technology plants already at current technology development stage. Обсяги і темпи впровадження технологій генерації електричної та теплової енергії, що побудовані з використанням паливних елементів, які спостерігаються протягом останнього десятиріччя, зумовлюють необхідність оцінки їх конкурентоздатності відносно основних класів традиційних технологій виробництва електроенергії, що є передумовою їх подальшого впровадження і комерційного використання в національних енергосистемах.Наведено основні техніко-економічні показники енергетичного використання паливних елементів в складі достатньо опрацьованої технологічної схеми їх компоновки, що нині використовується для комерціалізації.Описано математичну модель виконання оціночних розрахунків собівартості, відпускних тарифів та конкурентоспроможності відносно традиційних технологій виробництва електричної та теплової енергії, що генеруються технологічною установкою з використанням карбонатно-розплавних паливних елементів.Одержані результати дозволяють зробити висновок про конкурентоспроможність MCFC-технологічних установок вже на даному етапі технологічного розвитку. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2014-11-03 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/527 System Research in Energy; No. 3 (38) (2014): The Problems of General Energy; 29-35 Системні дослідження в енергетиці; № 3 (38) (2014): Проблеми загальної енергетики; 29-35 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/527/463 Copyright (c) 2014 Shulzhenko S.V., Denysov V.A. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | fuel cell efficiency mathematical model electric power heat energy. Shulzhenko S.V. Denysov V.A. Competitiveness of Fuel Cells Comparing with the Traditional Electric and Thermal Power Generation Technologies |
| title | Competitiveness of Fuel Cells Comparing with the Traditional Electric and Thermal Power Generation Technologies |
| title_alt | Конкурентоспроможність паливних елементів відносно традиційних технологій виробництва електричної та теплової енергії |
| title_full | Competitiveness of Fuel Cells Comparing with the Traditional Electric and Thermal Power Generation Technologies |
| title_fullStr | Competitiveness of Fuel Cells Comparing with the Traditional Electric and Thermal Power Generation Technologies |
| title_full_unstemmed | Competitiveness of Fuel Cells Comparing with the Traditional Electric and Thermal Power Generation Technologies |
| title_short | Competitiveness of Fuel Cells Comparing with the Traditional Electric and Thermal Power Generation Technologies |
| title_sort | competitiveness of fuel cells comparing with the traditional electric and thermal power generation technologies |
| topic | fuel cell efficiency mathematical model electric power heat energy. |
| topic_facet | fuel cell efficiency mathematical model electric power heat energy. паливний елемент економічна ефективність математична модель електрична енергія теплова енергія. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/527 |
| work_keys_str_mv | AT shulzhenkosv competitivenessoffuelcellscomparingwiththetraditionalelectricandthermalpowergenerationtechnologies AT denysovva competitivenessoffuelcellscomparingwiththetraditionalelectricandthermalpowergenerationtechnologies AT shulzhenkosv konkurentospromožnístʹpalivnihelementívvídnosnotradicíjnihtehnologíjvirobnictvaelektričnoítateplovoíenergíí AT denysovva konkurentospromožnístʹpalivnihelementívvídnosnotradicíjnihtehnologíjvirobnictvaelektričnoítateplovoíenergíí |