STAN OBECNY I PERSPEKTYWY WYKORZYSTANIA OGNIW PALIWOWYCH

Transkrypt

1 XIV Konferencja Naukowo-Techniczna Rynek Energii Elektrycznej: Przesłanki Nowej Polityki Energetycznej - Paliwa, Technologie, Zarządzanie STAN OBECNY I PERSPEKTYWY WYKORZYSTANIA OGNIW PALIWOWYCH Józef PASKA, Mariusz KŁOS Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki

2 Plan prezentacji 1. Krótki rys historyczny technologii ogniw paliwowych 2. Przegląd technologii wodorowych i ogniw paliwowych 3. Stan obecny i perspektywy wykorzystania ogniw paliwowych 4. Nasze doświadczenia w zakresie projektowania i budowy układów zasilania z ogniwami paliwowymi 5. Podsumowanie 6. Odpowiedzi na pytania recenzenta 2

3 Historia ogniwa paliwowego Pierwsze ogniwa paliwowe z membraną polimerową pojawiły się w latach sześćdziesiątych XX wieku i były rozwijane przez General Electric na potrzeby NASA Ogniwo paliwowe Grove a z 1839 r. (bateria gazowa) Gazowy łańcuch Grove a z 1842 r. 3

4 Historia ogniwa paliwowego aplikacje NASA Alkaliczne ogniwo paliwowe zainstalowane na promie kosmicznym - 12 kw 4

5 Przemiany energetyczne w elektrowni konwencjonalnej i ogniwie paliwowym 5

6 Nowoczesne sposoby produkcji wodoru Procesy termochemiczne - które można podzielić na reforming parowy węglowodorów, gazyfikację i pirolizę biomasy oraz procesy w reaktorze o membranie ceramicznej, Procesy elektrolityczne elektroliza wody, procesy zachodzące w ogniwach paliwowych dwukierunkowych (ang. Reversible Fuel Cells), Procesy fotolityczne procesy fotobiologiczne, fotoelektroliza. Przewiduje się że procesy fotolityczne umożliwią produkcję wodoru na skalę przemysłową już za kilkanaście lat. 6

7 Podstawowe rodzaje obecnie dostępnych ogniw paliwowych Typ ogniwa paliwowego Ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym (ang. Solidoxide fuel cell - SOFC) Ogniwo paliwowe ze stopionymi węglanami (ang. Molten-carbonate fuel cell - MCFC) Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (ang. Phosphoric-acid fuel cell - PAFC) Alkaliczne ogniwo paliwowe (ang. Alkaline fuel cell - AFC) Ogniwo z membraną polimerową (ang. Polimer electrolyte membrane fuel cell - PEMFC) Elektrolit Temperatura pracy Nieporowaty stały tlenek metalu, najczęściej cyrkonu (ZrO 2 ) stabilizowany tlenkiem itru (Y 2 O 3 ) Mieszanina węglanów alkaicznych (Li, K, Na) Stężony kwas fosforowy (H 3 PO 4 ) Roztwór wodorotlenku potasu (KOH) Membrana polimerowa 1000 C 650 C 190 C C C Nośnik ładunku Jony tlenu Jony węglanu Jony wodoru Jony wodorotlenku Jony wodoru Paliwo Gaz ziemny, biogaz. Paliwo poddane reformingowi wewnętrznemu lub zewnętrznemu Gaz ziemny, metanol, biogaz. Paliwo poddane reformingowi wewnętrznemu lub zewnętrznemu Czysty wodór, gaz ziemny, metanol, biogaz. Paliwo poddane reformingowi zewnętrznemu Wodór, hydrazyna N 2 H 4, metan Wodór katalizator Metatynian wapnia Nikiel Platyna Platyna Platyna Sprawność > 60% > 60% % % % Zakres potencjalnych mocy 2-3 MW nawet do 100 MW do 10 MW do 20kW do 250 kw 7

8 Reakcje chemiczne zachodzące na elektrodach różnego rodzaju ogniw paliwowych 8

9 Związki chemiczne stosowane jako paliwa dla różnych ogniw paliwowych Związki chemiczne PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC H 2 Paliwo Paliwo Paliwo Paliwo Paliwo CO Trucizna Trucizna Trucizna Paliwo Paliwo CH 4 Neutralny Trucizna Neutralny Neutralny Paliwo CO 2 Neutralny Trucizna Neutralny Neutralny Neutralny N 2 Neutralny Neutralny Neutralny Neutralny Neutralny S-(H 2 S i COS) Trucizna Trucizna Trucizna Trucizna Trucizna NH 3 Trucizna Obojętny Trucizna Paliwo Brak danych Ogniwa paliwowe wszystkich typów charakteryzują się stosunkowo słabą tolerancją na związki siarki. 9

10 STAN OBECNY TECHNOLOGII OGNIW PALIWOWYCH Z punktu widzenia zastosowania ogniwa paliwowe można podzielić na trzy grupy: 1. Pierwszą grupę stanowią ogniwa które znalazły zastosowanie w układach napędowych przede wszystkim dla przemysłu motoryzacyjnego 2. Do drugiej grupy należą ogniwa które znalazły zastosowanie jako źródło energii dla urządzeń przenośnych (telefony komórkowe, laptopy, kamery cyfrowe, przenośne aplikacje wojskowe, małe przenośne generatory do 1 kw) 3. Trzecia grupa ogniw znalazła zastosowanie w dużych systemach stacjonarnych (generacja rozproszona) o mocach od kilkudziesięciu kw do pojedynczych MW 10

11 Ogniwa paliwowe w układach napędowych Silnik AC lub Przetwornica /AC lub / Bateria chemiczna np: Li-ion Ogniwo paliwowe PEMFC H2 11

12 Ogniwa paliwowe w urządzeniach przenośnych 12

13 Układy stacjonarne wykorzystujące ogniwa paliwowe Układ wytwórczy z ogniwem wysokotemperaturowym MCFC o mocy 1 MW 13

14 Perspektywy wykorzystania ogniw paliwowych w energetyce zawodowej W niedalekiej przyszłości moce układów z ogniwami paliwowymi osiągną wartości rzędu 4 6 MW. Obiektami zasilanymi przez te układy (w ramach generacji rozproszonej) będą najprawdopodobniej: biurowce, szpitale, supermarkety centra handlowe Innym obszarem zastosowań tej technologii będą układy potrzeb własnych energetyki. Planuje się zastąpienie ogniwami paliwowymi układów bateryjnych. 14

15 Nasze doświadczenia w zakresie projektowania i budowy układów zasilania z ogniwami paliwowymi 2003 r. Układ zasilania z ogniwem paliwowym PEMFC, zasilany wodorem, opracowany w Instytucie Elektroenergetyki PW, zbudowany przy współpracy z firmą APS Energia - 2,5 kw 15

16 Nasze doświadczenia w zakresie projektowania i budowy układów zasilania z ogniwami paliwowymi 2006 r. Układ zasilania z ogniwem paliwowym PEMFC, zasilany metanolem za pośrednictwem procesora metanolowego, opracowany w Instytucie Elektroenergetyki PW, zbudowany przy współpracy firmy APS Energia 2,5 kw 16

17 Nasze doświadczenia w zakresie projektowania i budowy układów zasilania z ogniwami paliwowymi 2007 r. Powietrze CH4 Wymiennik regeneracyjny S Wymiennik regeneracyjny Komora Spalania T G MCFC Katoda Anoda AC AC1f PROSTOWNIK STEROWANY NAPĘDOWY MCFC AC1f KOMPUTER TURBINA I SPRĘŻARKA PROSTOWNIK STEROWANY M GS 3f NUS AC3f AC AC AC1f SEE Modelowy układ hybrydowy MCFC/GT. Układ umożliwi odwzorowanie zjawisk elektro-mechanicznych, które zachodzą w rzeczywistym hybrydowym systemie wytwórczym MCFC/GT (projekt w trakcie realizacji). 17

18 Podsumowanie Dziś trudno jest wyrokować czy ogniwa paliwowe będą w stanie zastąpić konwencjonalne źródła energii w przyszłości. Z całą pewnością zrewolucjonizują przemysł motoryzacyjny a prawdopodobnie cały transport. W energetyce przewiduje się bardzo duży ich udział w generacji rozproszonej wraz z odnawialnymi źródłami energii. Na obecnym etapie jest jeszcze szereg problemów technicznych i związanych z dopracowywaniem tej technologii barier finansowych które należy rozwiązać. W tej chwili cena 1 kw z ogniw paliwowych wynosi ok. 4-5 tys. USD. 18

19 Pytania recenzenta Czy układy hybrydowe (ogniwo paliwowe i źródła odnawialne) powinny pracować jedynie w układzie wyspowym? Układy hybrydowe bazujące na ogniwach paliwowych i źródłach odnawialnych znajdują zastosowanie, zarówno w układach wydzielonych (autonomicznych, wyspowych), jak również w układach pracujących na system elektroenergetyczny (generacja rozproszona, w tym układy kogeneracyjne). Przewiduje się również, że znajdą swoje miejsce w układach będących integralną częścią systemu elektroenergetycznego, np.: w układach potrzeb własnych. Jakie są przewidywane koszty budowy układu hybrydowego ogniwo paliwowe i elektrownia wiatrowa? Koszty materiałowe prezentowanych w referacie 2,5 kw-towych systemów zasilania wahają się w granicach od 70 do 100 tys. zł. Przewidywane koszty dużego układu hybrydowego ogniwo paliwowe-turbina wiatrowa są w tej chwili trudne do oszacowania zważywszy na duży wachlarz możliwych do zastosowania rozwiązań, zarówno związanych z technologią ogniw paliwowych jak również turbozespołów wiatrowych. Również topologia samego układu (ogniwo paliwowe jako gorąca rezerwa czy może jako zasobnik energii) będzie miała wpływ na koszty budowy takiego układu. 19