Analiza energetyczna hybrydowego systemu wytwórczego z odwracalnym ogniwem paliwowym jako magazynem energii

Transkrypt

1 Bartosz Ceran 1 Instytut Elektroenergetyki, Politechnika Poznańska Analiza energetyczna hybrydowego systemu wytwórczego z odwracalnym ogniwem paliwowym jako magazynem energii Wprowadzenie Od kilkunastu lat obserwowany jest dynamiczny rozwój sektora elektroenergetyki wykorzystującego na coraz większą skalę energię ze źródeł odnawialnych. Rozwój ten podyktowany jest w głównej mierze potrzebą dekarbonizacji sektora wytwórczego wynikającą z celów klimatycznych Unii Europejskiej. Stąd też udział źródeł odnawialnych w całkowitym bilansie produkcji energii elektrycznej stale wzrasta. W opinii wielu ekspertów już za kilka lat technologie odnawialne staną się na tyle dojrzałe, że będą podlegać realiom rynkowym i wtedy nie powinny mieć pierwszeństwa w dostępie do sieci energetycznej. Gwałtowny wzrost źródeł odnawialnych, szczególnie o stochastycznym charakterze pracy, powoduje ryzyko destabilizacji pracy systemu elektroenergetycznego. Aby temu zapobiec, niezbędne jest wprowadzenie odpowiednich mechanizmów i technologii zapobiegających takim sytuacjom. Ponadto integracja źródeł odnawialnych z systemem energetycznym będzie wymagała znaczącej modernizacji i rozbudowy sieci dystrybucyjnej, w której już teraz istnieją ograniczenia w zakresie przyłączania nowych mocy wytwórczych. Dlatego też od istniejących źródeł wytwórczych coraz częściej wymaga się elastycznej pracy, aby mogły one w krótkim czasie bilansować system elektroenergetyczny. W tym kontekście celowym staje się rozwijanie technologii magazynowania energii. Magazyny takie powinny być w przyszłości lokowane przy źródłach wytwórczych charakteryzujących się stochastycznym charakterem pracy, czyli elektrowniach wiatrowych oraz fotowoltaicznych. Rozbudowa odnawialnych źródeł energii sprawia, że pojawiają się już dziś nowe wyzwania związane z potrzebą reformy sektora energetycznego. Źródła odnawialne wykorzystujące energię słońca i wiatru w coraz większym stopniu zastępują elektrownie opalane paliwami kopalnymi i przejmują rolę podstawowego źródła energii. Wraz ze wzrostem udziału źródeł odnawialnych w produkcji energii elektrycznej istniejące elektrownie konwencjonalne w coraz mniejszym stopniu będą mogły reagować na ich zmienną produkcję energii elektrycznej. Elektrownie konwencjonalne opalane węglem, gazem lub jądrowe najczęściej pracują w podstawie obciążenia. Są to najczęściej jednostki wytwórcze centralnie dysponowane, które mogą zwiększać lub zmniejszać swoje obciążenie w zależności od zapotrzebowania. Najbardziej elastycznymi jednostkami są turbiny gazowe, choć nowoczesne elektrownie węglowe też pozwalają na taką usługę systemową. Starsze elektrownie węglowe, podobnie jak elektrownie jądrowe, najlepiej pracują w podstawie obciążenia [2]. Źródła odnawialne wykorzystujące wiatr i słońce uważa się za niestabilne źródła energii, co oznacza, że nie produkują one energii w trybie ciągłym, chociaż już obecnie można całkiem trafnie prognozować ich produkcję z co najmniej jednodniowym wyprzedzeniem. Co jednak najważniejsze, turbiny wiatrowe i fotowoltaika nie są dyspozycyjne. Jednak tradycyjne elektrownie nie są w stanie konkurować na szeroką skalę z uprzywilejowanymi w systemie elektroenergetycznym i wspieranymi finansowo źródłami odnawialnymi, które coraz bardziej ograniczają miejsce w systemie dla jednostek konwencjonalnych, wypychając energetykę węglową, gazową czy atomową oraz wywołują silną presję na spadek hurtowych cen energii elektrycznej ze względu na niski koszt zmienny produkcji. Dlatego też w systemie elektroenergetycznym konieczne jest utrzymywanie mocy rezerwowych, które muszą być gotowe do rozpoczęcia pracy, na wypadek gdyby źródła odnawialne nie były w stanie produkować energii. Korzystanie z energii wiatrowej i słonecznej wymaga wsparcia dyspozycyjnych mocy rezerwowych. Jedną z możliwości dzięki której sytuacja ta może ulec zmianie jest magazynowanie nadwyżek energii wyprodukowanej przez źródła odnawialne. 1 Bartosz Ceran, Poznan University of Technology, Electrical department, Poznan, Poland, bartosz.ceran@put.poznan.pl 8627

2 Elektrownie wiatrowe i fotowoltaiczne w porównaniu z konwencjonalnymi źródłami energii charakteryzują się kilkoma negatywnymi cechami specyficznymi: brak korelacji pomiędzy wielkością produkcji energii elektrycznej, uzależnionej od siły wiatru oraz natężenia promieniowania słonecznego, a poziomem zapotrzebowania odbiorców końcowych, nagłe zmiany mocy wprowadzanej do sieci elektroenergetycznej, uzależnione od zmian prędkości wiatru i natężenia promieniowania słonecznego, stosunkowo niska przewidywalność pracy tych źródeł w dłuższym horyzoncie czasu a co za tym idzie utrudnione planowanie pracy systemu elektroenergetycznego. Wymienione powyżej cechy tych źródeł wytwórczych powodują problemy ruchowe i eksploatacyjne dla systemu elektroenergetycznego. Aby zredukować negatywne skutki pracy dużej liczby źródeł odnawialnych o stochastycznym charakterze pracy na system elektroenergetyczny operatorzy systemów przesyłowych muszą obecnie wprowadzać działania dostosowawcze w zakresie zdolności regulacyjnych całego systemu elektroenergetycznego i istniejących w systemie elektroenergetycznym źródeł wytwórczych. Wraz z rozwojem technologii magazynowania energii będzie możliwe łagodzenie zmienności generacji ze źródeł odnawialnych wprowadzanej do sieci elektroenergetycznej w krótszych okresach czasowych oraz ograniczenie wykorzystywania konwencjonalnych źródeł do pokrywania obciążeń szczytowych w sytuacjach zmian generacji ze źródeł odnawialnych [4, 6]. Analiza energetyczna hybrydowego systemu wytwórczego Na rysunku 1 przestawiono schemat blokowy hybrydowego systemu wytwórczego składającego się z odwracalnego ogniwa paliwowego RFC (ang. reversible fuel cell) [5], elektrowni wiatrowej oraz elektrowni fotowoltaicznej. Rys. 1. Schemat blokowy układu I: RFC odwracalne ogniwo paliwowe, PV ogniwo fotowoltaiczne, WT elektrownia wiatrowa. Zastosowanie ogniwa paliwowego w hybrydowym systemie wytwórczym według przedstawionej konfiguracji daje możliwość: magazynowania energii wytworzonej w źródłach odnawialnych w postaci wodoru i wykorzystanie jej w innym okresie czasowym kompensacji stochastycznego charakteru pracy źródeł OZE, dzięki zdolności ogniwa do szybkiego dostosowywania punktu pracy przy nagłych zmianach obciążenia Celem analizy energetycznej hybrydowego układu wytwórczego składającego się z turbin wiatrowych, modułów fotowoltaicznych, odwracalnego ogniwa paliwowego z membraną polimerową było wyznaczenie zależności sprawności przetwarzania energii pierwotnej na elektryczną przez poszczególne źródła. Dane techniczne urządzeń wchodzących w skład układu wytwórczego zestawiono w tabeli

3 Elektrownia wiatrowa: Moc nominalna generatora Roboczy zakres prędkości wiatru Ilość jednostek Ogniwo paliwowe: Moc nominalna stosu Moc maksymalna stosu Ilość stosów Tabela 1. Dane techniczne urządzeń hybrydowego systemu wytwórczego Moduły fotowoltaiczne: Moc nominalna w warunkach STC Sprawność nominalna w warunkach STC Powierzchnia czynna Ilość modułów 5 kw 3,5 25 m/s W p 13 % 0,84 m kw 8 kw 2 Sprawność przetwarzania mocy wiatru na moc elektryczną przez elektrownię wiatrową opisuje wzór: WT P P el wind 100[%] gdzie: ηwt [%] sprawność elektrowni wiatrowej, Pel [W] moc generowana przez elektrownie. (1) Teoretyczną moc wiatru obliczono na podstawie wzoru (2): 1 P wind 3 0v S[W ] 2 gdzie: ρ [kg/m 3 ] gęstość wiatru, v [m/s] prędkość wiatru, S [m 2 ] powierzchnia (2) W celu określenia wartości mocy elektrycznej generowanej przez elektrownię wiatrową posłużono się charakterystyką prędkości wiatru w funkcji mocy v = f(p) podaną przez producenta[3]. Rys. 4. Charakterystyka v=f(p) elektrowni wiatrowej. Na podstawie wzoru (1) wykreślono zależność sprawności elektrowni wiatrowej w funkcji prędkości wiatru (rys. 5). 8629

4 Rys. 5. Sprawność rozpatrywanej elektrowni wiatrowej w funkcji prędkości wiatru. Wartość sprawności rozpatrywanej elektrowni wiatrowej w funkcji prędkości wiatru zmienia się w przedziale od 30 do 35% dla prędkości wiatru od 4 do 10 m/s. Do określenia energii wytworzonej przez moduły fotowoltaiczne wykorzystano zależność sprawności modułu w funkcji natężenia promieniowania słonecznego ηpv = f(e) (rys. 7) opracowaną na podstawie wpływu natężenia promieniowania na charakterystykę napięciowo-prądową modułu fotowoltaicznego, (rys. 6). Rys. 6. Wpływ promieniowania słonecznego na charakterystyki I = f(u) modułu PV. 8630

5 Rys. 7. Sprawność modułu fotowoltaicznego w funkcji natężenia oświetlenia. Wartość sprawności modułu fotowoltaicznego w funkcji natężenia promieniowania słonecznego w znacznej części utrzymuje się w przedziale 10 13%. Poniżej 200 W/m 2 wartość sprawności mocno spada. Moc elektryczną oddawaną przez moduł obliczono ze wzoru: E S PV PPV [W ] 100 (3) gdzie: Ppv [W] moc elektryczna modułu fotowoltaicznego, E [W/m 2 ] natężenie promieniowania słonecznego, S [m 2 ] powierzchnia czynna modułu, ηpv [%] sprawność modułu (odczytana z charakterystyki ηpv = f(e)). W celu wyznaczenia sprawności w funkcji obciążenia odwracalnego ogniwa paliwowego RFC posłużono się jego charakterystyką zewnętrzną U=f(I), na podstawie której opracowano charakterystykę urządzenia w trybie pracy elektrolizera. W tym celu wykorzystano wzór wiążący silę elektromotoryczną idealnego urządzenia z rzeczywistą wartością napięcia[1]. V CELL E ( V V VOhm ) (4) act trans gdzie: Vcell [V] napięcie stanu jałowego, E [V] siłe elektromotoryczna ogniwa, Vact [V] straty aktywacji, Vtrans [V] straty transportu masy, VOhm [V] straty Ohmowe. Znak + oznacza pracę jako elektrolizer a znak prace jako generator energii elektrycznej. 8631

6 Rys. 8. Charakterystyka ogniwa RFC pracującego jako generator energii elektrycznej i jako elektrolizer Sprawność ogniwa RFC można opisać jako iloczyn sprawności procesu produkcji wodoru i jego zużywania podczas produkcji energii elektrycznej. RFC ElOP (5) gdzie: nel [%] sprawność przetwarzania energii elektrycznej w chemiczną, nop [%] sprawność przetwarzania energii chemicznej w elektryczną, Poza stratami energii podczas cyklu przemiany w ogniwie energia elektryczna chemiczna elektryczna, w układzie występuje także strata energii potrzebnej na sprężenie wytworzonego wodoru do odpowiedniej wartości ciśnienia. W analizie przyjęto, że wytworzony wodór jest sprężany do ciśnienia 20 MPa. Moc potrzebną do zasilania kompresora, będącego głównym urządzeniem potrzeb własnych można opisać wzorem: P komp m H2 1 p1 1 3 p0v 0[( ) 1] 10 [ kw ] 1 p 0 ikomp gdzie: mh2 [kg/s] masowy przepływ wodoru, κ wykładnik adiabaty (κ = 1,41 dla wodoru), p0 [MPa] ciśnienie wodoru przed sprężeniem, v0 [Nm 3 /kg] objętość właściwa wodoru, p1 [MPa] ciśnienie wodoru po sprężeniu, ηikomp sprawność wewnętrzna kompresora. Strumień masowy wodoru opisuje wzór I nogniw kg mh 22, 42 [ ] 2 2 F s (7) gdzie: nogniw [-] liczba celek w stosie, I [A] natężenie prądu dopływającego do ogniwa RFC, F [C/mol] stała Faraday a, μ [kg/nm 3 ] gęstość wodoru. Na podstawie wzorów 6 i 7 opracowano wykres zależności pracy potrzebnej do sprężania wodoru w funkcji osiąganego ciśnienia końcowego (Rys. 9). W praktyce przyjmuje się, że 10 % mocy dostarczanej do układu elektrolizera jest tracone na pracę kompresora. Po uwzględnieniu potrzeb własnych układu wzór 5 przyjmuje postać: ( 1 ) RFC El OP (8) gdzie: ε = 0,1 wskaźnik potrzeb własnych systemu ogniw paliwowych (6) 8632

7 Rys. 9. Zależność pracy jaką trzeba wykonać aby sprężyć 1 kg wodoru w funkcji ciśnienia końcowego. Na podstawie wzoru 8 opracowano charakterystykę sprawności magazynu energii w funkcji obciążenia prądowego ogniwa (rys. 10). Sprawność cyklu ładowania i rozładowania jednostki RFC osiąga wartość na poziomie 25 45% w zależności od obciążenia [5]. Pomimo stosunkowo niskiej sprawności cyklu ładowania i rozładowania jednostka RFC charakteryzuje się stosunkowo dużą gęstością zmagazynowanej energii na poziomie 500 Wh/kg. Wysoka wartość gęstości energetycznej powoduje, że RFC może znaleźć zastosowanie dla aplikacji, gdzie powierzchnia systemu magazynującego jest ograniczona. Rys. 10. Zależność sprawności magazynu energii RFC w funkcji obciążenia prądowego.. Rozpływ mocy w rozpatrywanym układzie przedstawiono za pomocą wykresu Sankeya na rysunku

8 Rys. 11. Wykres Sankeya dla hybrydowego systemu wytwórczego.. Całkowita sprawność układu hybrydowego zależy od rozpływu mocy. Wykorzystanie magazynu RFC obniży sprawność końcową, ze względu na starty energii zachodzące podczas przemiany energii elektrycznej w chemiczną i chemicznej w elektryczną. Zmagazynowanie nadwyżki energii wytworzonej w źródłach odnawialnych rozbudowuje możliwości planowania pracy takiego systemu. Energię zmagazynowaną można wykorzystać do pokrycia obciążenia szczytowego w dniu kolejnym co minimalizuje problem stochastycznej pracy źródeł wiatrowych i fotowoltaicznych w systemie elektroenergetycznym. Podsumowanie Ogniwa paliwowe stanowią interesujące rozwiązanie problemu magazynowania energii elektrycznej. Zagadnienie to jest szczególnie ważne przy coraz większym nasyceniu systemu elektroenergetycznego źródłami o stochastycznym charakterze pracy. Rozwój wykorzystania ogniw paliwowych w ramach integracji źródeł odnawialnych z systemem elektroenergetycznym jest uwarunkowany postępem technologicznym. Celem obecnie prowadzonych obecnie na świecie badań są obniżenie wysokiej ceny jednostkowej oraz zwiększenie liczby godzin niezawodnej pracy (tzw. cyklu życia ang. life-cycle) ogniw paliwowych. Streszczenie W artykule przedstawiono analizę energetyczną hybrydowego układu wytwórczego, składającego się z elektrowni wiatrowej, fotowoltaicznej oraz odwracalnego ogniwa wodorowego RFC. Przedstawiono eksploatacyjne cechy ogniw paliwowych. Rozpływ mocy w hybrydowym systemie wytwórczym zilustrowano za pomocą wykresu Sankey a. Zwrócono uwagę na cechy szczególne pracy źródeł wytwórczych w systemie elektroenergetycznym pod względem produkowanego towaru jakim jest energia elektryczna. Słowa kluczowe: ogniwa paliwowe, magazynowanie energii, generacja rozproszona, hybrydowe systemy wytwórcze 8634

9 PERFORMANCE ANALYSIS OF A HYBRID GENERATION SYSTEM WITH REVERSIBLE FUEL CELL AS ENERGY STORAGE Abstract In the paper there are presented energy analysis of hybrid power system with wind power plant, solar power plant and reversible fuel cells RFC as energy storage. There are presented the operating characteristics of fuel cells. There are illustrated the distribution of power in a hybrid system by the Sankey graph. It was paid attention to particular features of the work of generation sources in electric power system as regard produced electric energy. Keywords: fuel cells, energy storage, distributed generation, hybrid power systems Literatura [1] Ceran B,, Bernstein Paul A.: Operational characteristics of proton exchange membrane (PEM) fuel cells. Przegląd elektrotechniczny 10/2014 s [2] Gładyś H., Matla R.: Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym, WNT Warszawa, [3] Michalak P., Ocena zasobów energii wiatru na potrzeby małej energetyki wiatrowej, Elektrotechnika i Elektronika, 28(1 2)/2009. [4] Modzelewski A.: Konkurencyjność energetyki rozproszonej oraz możliwy jej wpływ na krzywe Krajowego Systemu Elektroenergetycznego. Napędy i sterowanie, 9/2014, s [5] Nehrir. M.H., Wang C.: Modeling and Control of Fuel Cells: Distributed Generation Applications, Wiley [6] Paska J.: Generacja rozproszona z wykorzystaniem hybrydowych układów wytwórczych. Energetyka 6/2013, s Podziękowania Składam serdeczne podziękowania Panu dr inż. Radosławowi Szczerbowskiemu za udzielone wsparcie merytoryczne i pomoc przy pisaniu tego artykułu. 8635