OGNIWA PALIWOWE SPOSOBY NA KRYSYS ENERGETYCZNY

Transkrypt

1 Martyna Ćwik Politechnika Częstochowska OGNIWA PALIWOWE SPOSOBY NA KRYSYS ENERGETYCZNY W dobie wyczerpujących się źródeł paliw kopalnych, ogniwa paliwowe zajmują istotną rolę wśród nowatorskich sposobów produkcji energii. Wysoka wydajność i jakość pracy, pozwala na wykorzystanie ogniw w układach hybrydowych do napędu pojazdów samochodowych, w systemach zasilania awaryjnego, w przenośnych urządzeniach mobilnych itp. Obecnie wiele ośrodków naukowych zajmuje się badaniami nad ogniwami paliwowymi poprzez wydłużenie czasu pracy, redukcję masy oprzyrządowania, czy zmniejszanie kosztów samej produkcji [1-3]. Ogniwa paliwowe charakteryzują się dużą czystością sprawnością i gęstością energetyczną. Technologia ogniw paliwowych jest intensywnie rozwijana w krajach UE, Japonii, USA. Powstanie infrastruktury wodorowej i wdrożenie technologii ogniw paliwowych w urządzeniach codziennego użytku szacuje się na rok Niniejsza praca przedstawiania możliwość wykorzystania ogniw paliwowych jako generatorów energii elektrycznej i ciepła, wady i zalety ogniw paliwowych, rodzaje ogniw paliwowych oraz koszty produkcji ogniwa na obecnym etapie rozwoju technologii wodorowych Śledząc rozwój technologii ogniw paliwowych, można zaobserwować różnorodność zastosowań generatorów energii: w 1950 roku NASA rozpoczęła pracę nad zastosowaniem ogniw paliwowych w ramach kilkuset projektów badawczych, w 1960 roku wystartował wahadłowiec Apollo z ogniwem zasadowym. Dziesięć lat później wahadłowiec Columbia korzystał z pracy tego samego ogniwa. Po 2000 roku już na szerszą skalę rozpowszechnieniem zastosowania ogniw paliwowych zajęły się firmy Toyota, Daimler Benz NECAR I. Obecnie przykłady wykorzystania różnego typu ogniw paliwowych można by mnożyć. Niestety wysokie koszty materiałów, duża masa oprzyrządowania, problem magazynowania paliwa stanowią przeszkodę dla szerszej komercjalizacji tych rozwiązań. Ogniwa paliwowe można sklasyfikować ze względu na rodzaj elektrolitu w którym jony poruszają się między elektrodami, oraz ze względu na temperaturę pracy.[11] Rodzaj zastosowanego elektrolitu zależy od temperatury działania ogniwa paliwowego, rodzaju katalizatora oraz określa rodzaj reakcji elektrochemicznych zachodzących w ogniwie paliwowym[8,12]. Podział ogniw paliwowych przedstawiono w Tabeli 1.

2 Tabela 1. Typy ogniw paliwowych Ogniwa paliwowe (nazwa) Ogniwo alkaliczne (zasadowe) AFC (Alkaline Fuel Cell) Ogniwo polimerowe (membranowe) SPFC (Solid Polymer Fuel Cell) Elektrolit Elektrody Paliwo Temperatura pracy i zastosowanie ogniwa Temp. pracy: 100 Roztwór wodorotlenku 200 o C potasu: stężony 85% Wodór H 2, hydrazyna (temp pracy < 250 o Zastosowanie N C), 2 H 4, metan CH Zast - technika 4 kosmiczna i wojskowa różnych metali Paliwo i utleniacz muszą rozcieńczony 35-40% (łodzi podwodne i (temp pracy < 250 o być pozbawione CO 2 C) pojazdy pancerne), transport Jonowymienna membrana z polimeru sulfono fluoro węglowego Platynowe Wodór H 2, metanol CH 3 OH Paliwo musi być pozbawione CO Temp. pracy:<120 o C Zast- głównie transport, pojazdy kosmiczne i wojskowe Ogniwo kwasu fosforowego PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) Ogniwa węglanowe (stopionych węglanów) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) Stężony kwas fosforowy (100%) Mieszanina węglanów alkaicznych (Li, K, Na) Platyna naniesiona na podłoże węglowe spajane teflonem Anoda porowaty nikiel z dodatkiem chromu. Katoda porowaty tlenek niklu dotowany litem Wodór H 2, gaz ziemny, nafta, metanol CH 3 OH biogaz. Paliwo musi być odsiarczone i pozbawione CO. Gaz ziemny, metanol CH 3 OH, biogaz. Paliwo musi być konwertowane na gaz zawierający wodór H 2 w odrębnym urządzeniu- reforming zewnętrzny lub wewnętrzny z wykorzystaniem ciepła reakcji elektrochemicznej. Utleniacz to powietrze z dodatkiem CO 2 Gaz ziemny, biogaz. Paliwo musi być konwertowane na gaz zawierający wodór H 2 w odrębnym urządzeniureforming zewnętrzny lub wewnętrzny z wykorzystaniem ciepła reakcji elektrochemicznej Temp. pracy: o C Zast- jako źródło energii elektrycznej i cieplnej w obiektach użyteczności publicznej (szpitale, biura, hotele, niewielkie osiedla mieszkaniowe) Temp. pracy: o C Wysokotemperaturowe ogniwa węglanowe umożliwiają wykorzystanie produkowanego ciepła do celów grzewczych i w procesach technologicznych Ogniwa tlenkowe SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) Nieporowaty stały tlenek metalu najczęściej cynk ozonu ZrO 2 Stabilizowany tlenkiem itru Y 2 O 3 Temp. procesu: o C Ogniwa te znajdują się w fazie prac badawczych i ich zastosowanie w większej skali jest jeszcze odległe Natomiast ogniwa, które zaliczamy do drugiej klasyfikacji możemy podzielić na: - Niskotemperaturowe ogniwa paliwowe - pracują przy temperaturze od 70 oc do 250oC. Nośnikiem energii dostarczanym do ogniwa powinien być wodór, a utleniaczem jest powietrze lub czysty tlen [6].tego typu urządzenia stosowane są w przemyśle motoryzacyjnym oraz elektronicznym do urządzeń przenośnych. - Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe pracuje przy temperaturze powyżej 750oC.

3 Nośnikiem energii w tego typu ogniwach mogą być H2, CO, CH4, gazy z pirolizy węgla i ciężkie węglowodory. W przypadku ogniw pracujących z wykorzystaniem platyny jako katalizatora, paliwo nie powinno zawierać związków siarki np. H2S, gdyż siarka zatruwa procesy elektrodowe w ogniwie [8]. Te urządzenia o dużej mocy znalazły zastosowanie w przemyśle, do wytwarzania ciepłej wody i pady technologicznej we współpracy z turbiną parową i gazową. Do niskotemperaturowych ogniw paliwowych zaliczamy:[5] - alkaliczne ogniwo paliwowe, - ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym, - ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów, - metanowe ogniwo paliwowe z bezpośrednim zasilaniem. Do wysokotemperaturowych ogniw paliwowych zaliczamy:[5] - ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem, - ogniwo paliwowe cynkowe powietrzne, - ogniwo paliwowe ze stopionym węglem. W życiu codziennym stosujemy różnego rodzaju ogniwa paliwowe. Są one wykorzystywane w lotnictwie, wojsku, marynarce, przemyśle kosmicznym. Zasilają one urządzenia przenośne, takie jak: telefony komórkowe czy notebooki. Stosowane do napędzania pojazdów, generatorów stacjonarnych małej, średniej i dużej mocy oraz generatory przenośne. Pojazdy samochodowe Ogniwa paliwowe posiadają wiele zalet jako napęd dla transportu. Są to przede wszystkim wysoka sprawność (65% w porównaniu z silnikiem diesla, którego sprawność to ok. 35%), brak wibracji oraz hałasu podczas zachodzących reakcji, produkowana energia zasila bezpośrednio silnik elektryczny, brak spalania paliwa w czasie postoju oraz stały moment obrotowy. Głównym mankamentem zastosowania ogniw paliwowych na szerszą skalę jest przechowywanie wodoru w postaci ciekłej wymaga temperatury -237 stopni. Obecnie wodór przechowuje się w zbiornikach pod ciśnieniem nawet do 1000 barów. [27] Wyróżniamy trzy główne sposoby magazynowania wodoru w pojeździe:[31] reforming metanolu bezpośrednio przed użyciem, magazynowanie gazowe wodoru pod ciśnieniem, częściowe utlenianie paliw węglowodorowych (pochodnych ropy naftowej) bezpośrednio przed użyciem. W samochodzie z napędem hybrydowym współpracują ze sobą najczęściej dwie jednostki napędowe (silnik spalinowy i elektryczny). Na rysunku 1 przedstawiono możliwości współpracy różnych zasobników energii i rodzajów napędów w układzie hybrydowym. [27]

4 Rys 1. Silnik z ogniwem paliwowym w pojeździe zasilany jest metanolem. W samochodzie metanol jest przetwarzany (w procesie fermentacji) na wodór i dwutlenek węgla. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowe zamontowanie instalacji wyposażonej w ogniwo paliwowe w pojeździe. Rys. 2

5 Samochody napędzane ogniwami paliwowymi oprócz oczywistych zalet związanych z ekologią, posiadają: - większą sprawność niż silniki spalinowe - działają praktycznie bezgłośnie (nie posiadają tłoków ani żadnych ruchomych części związanych z jednostką zasilania - system odzysku energii podczas hamowania W tabeli 2 pokazano emitowaną ilość dwutlenku węgla do atmosfery podczas eksploatacji pojazdów o napędach: benzynowy, Diesla, hybrydowego elektrycznego benzynowego oraz Toyota Prius z ogniwem paliwowym. Tabela 2. Emisja CO 2 z wybranych pojazdów Ciekawym przykładem zastosowania ogniwa paliwowego jest wspomaganie systemu napędowego roweru, który przedstawiono na rysunku 3. Rower firmy Aprilia wyposażony w ogniwo o mocy 600 W, zbiornik wodoru pod ciśnieniem 300 bar, wazy 24 kg i ma zasięg bez pedałowania 70 km przy średniej prędkości 25 km/h. niezależny system w okonywaniu nierówności terenu. Rys 3.

6 Urządzenia przenośne W tej kategorii ogniwami paliwowymi, które mogą być zastosowane są ogniwa z błoną protono - wymienną PEM oraz ogniwa metanolowe DMFC. Firma Voller Energy zaproponowała ogniwa o mocy 10 W i nazwie rynkowej PortaPack VE10 odpowiednie do zasilania telefonów komórkowych. Rys. 4. Telefon komórkowy zasilany ogniwem paliwowym Największy rynek ogniw paliwowych małej mocy postrzega się systemach zasilających notebooki. Najpowszechniejszym typem ogniwa paliwowego do zasilania notebooków ze względu na dostępność paliwa jest ogniwo metanowe. Notebooki Toshiba wyposażone w ogniwa paliwowe produkowane są od roku Notebooki wyposażone w ogniwo paliwowe typu DMFC może pracować do 5 godzin na zbiorniczku zbiorniczku metanolu można łatwo wymienić arę sekund, a przy tym nie trzeba wyłączać notebooka, można również bez problemu napełnić metanolem. Rys. 5. Notebooki zasilane ogniwem paliwowym

7 Generatory prądu Tys. 6. Generator prądu wyprodukowany przez firmę Voller Rys. 7. Generator elektryczny wyprodukowany przez firmę Coleman Powermate. Budynki mieszkalne Ogniwa paliwowe można wykorzystać do produkcji ciepła i energii elektrycznej dostarczonej do gospodarstw domowych. Do tego celu wykorzystuje się generator CHP (Combined Heat and Power generator energii elektrycznej i ciepła). Generator zasilany jest gazem ziemnym, wykorzystuje wysokotemperaturowe ogniwo paliwowe, którym zachodzi

8 wewnętrzy reforming w celu uzyskania wodoru. Na rys 8 przedstawiono schemat generatora CHP. Rys. 8. Generator CHP firmy CFC Ltd. Wraz z reformatorem [22] Aspekty finansowe zastosowania ogniwa paliwowego Na cenę wytworzenia generatora energii wpływają m.in.koszty materiałow potrzebnych do wytworzenia ogniwa paliwowego oraz generatora. Koszty materiałów potrzebnych do wytworzenia ogniwa paliwowego przedstawiono w Tabeli. Koszty materiałów do wytworzenia ogniwa paliwowego

9 W następnej tabeli przedstawiono koszty materiałów potrzebnych do wytworzenia przenośnego generatora energii. Koszty materiałów do wytworzenia generatora energii Koszty wytworzenia ogniwa paliwowego jest bardzo wysoki i wynosi połowę ceny wytworzenia całego przenośnego generatora energii. Prognoza kosztów wytworzenia ogniwa paliwowego na nadchodzące lata przedstawia rysunek 9 Rys. 9. Prognoza kosztów wytworzenia ogniwa paliwowego.

10 Podsumowanie Komercyjne produkty wykorzystujące ogniwa paliwowe do generacji energii i ciepła dostępne są już od dawna (stosowano je w ramach programu Apollo). Szybki rozwój technologii paliwowych kieruje się w stronę obniżenia kosztów budowy oraz sprzedaży tych urządzeń na szeroką skale. Panuje opinia że to właśnie niskotemperaturowe ogniwa z elektrolitem w postaci membrany maja największa szanse na wykorzystanie na szeroka skalę. Przewiduje się że w przeciągu najbliższego pięciolecia, wiele firm wprowadzi na swój rynek te właśnie urządzenia. Ciągłość pracy ogniwa paliwowego wynosi od 1 roku do 3 lat, co wskazuje na wysoką trwałość ogniwa paliwowego. Gdy ogniwo paliwowe nie wytwarza energii pobiera tylko niewielką ilość energii potrzebną do utrzymana ogniwa w stanie gotowości do pracy. Podczas generowania energii jako produkt uboczny ogniwo paliwowe wytwarza wodę. W Polsce podjęto wiele prób skonstruowania generatora CHP wytwarzającego energię elektryczną i ciepło w domach jednorodzinnych. Prace prowadzone są m.in. przez firmę Energocontrol w Krakowie. W najbliższych latach koszty wytworzenia ogniwa paliwowego zmniejszą się,co wiąże się ze wzrostem zainteresowania ogniwami paliwowymi na rynku. W ciągu najbliższych 10 lat koszty inwestycyjne polimerowego ogniwa paliwowego maja być 150 niższe w porównaniu z kosztami budowy elektrowni jądrowej i 100 krotnie niższe w porównaniu z kosztami budowy elektrowni węglowej. Wzrośnie popyt na pojazdy z silnikami zasilanymi wodorem. Na rynku pojawi się metanol, którym mają być zasilane ogniwa paliwowe. Produkcja i użytkowanie będą charakteryzowały się zerową emisją dwutlenku węgla do atmosfery.