Systemy zasilania potrzeb własnych elektroenergetyki z ogniwami paliwowymi

Transkrypt

1 Systemy zasilania potrzeb własnych elektroenergetyki z ogniwami paliwowymi Antoni Dmowski, Piotr Biczel, Tomasz Dzik Obwody potrzeb własnych w elektroenergetyce są bardzo ważnymi elementami systemu zasilania. Aby takie systemy pracowały poprawnie, potrzebują gwarantowanego zasilania. Dlatego też rola systemów zasilających takie obwody stale wzrasta. Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy najczęściej obecnie stosowanego systemu zasilania potrzeb własnych. W stanie pracy normalnej (bezawaryjnej) odbiorniki potrzeb własnych są zasilane z przetwornicy AC/DC lub systemu równolegle połączonych takich przetwornic [6]. Do wyjścia prostownika (lub równolegle połączonych prostowników) jest dołączona równolegle bateria chemiczna. Z baterii tej bezpośrednio lub przez układy przetwornic zasilane są odbiorniki, w przypadku braku napięcia w elektroenergetycznej sieci zasilającej. W systemie zasilania potrzeb własnych elektroenergetyki mogą być zasilane odbiorniki prądu stałego i prądu przemiennego. Sposób realizacji obwodów zasilania prądem stałym i przemiennym w systemach potrzeb własnych opisano w [6]. Podano tam również sposoby poprawy niezawodności działania układów przetwornic AC/DC, DC/DC i DC/AC, będących elementami składanymi systemów zasilania potrzeb własnych. Można to uzyskać dzięki odpowiedniemu połączeniu równoległemu przetwornic. Jeśli zanik napięcia elektroenergetycznej sieci zasilającej jest dłuższy niż czas rozładowania baterii, do pracy załączany jest agregat prądotwórczy. Zapewnia on dalszą pracę systemu zasilania. Przy doborze agregatu prądotwórczego należy zwrócić uwagę na budowę takiego systemu zasilania. Na rysunku 2 przedstawiono widmo harmonicznych dwu różnych układów systemu zasilania potrzeb własnych w prądzie pobieranym z sieci elektroenergetycznej przez prostowniki. Rysunek 2a dotyczy stanu, gdzie na wejściu prostownika znajduje się układ mostkowego prostownika trójfazowego. Rysunek 2b dotyczy przypadku, gdy na wejściu systemu zasilania potrzeb własnych znajduje się prostownik z sinusoidalnym prądem wejściowym. Ze względu na znacznie większą moc sieciowego transformatora TR, oba układy mają znikomy wpływ na wartość THDu na zaciskach tego transformatora. Dodatkowo na obniżenie THDu wpływa impedancja linii Z L. W przypadku przełączenia na zasilanie z agregatem, układ prostownika, którego przebiegi harmonicznych przedstawiono na rysunku 2a, znacznie bardziej niekorzystnie wpływa na pracę agregatu niż układ, którego wyniki przedstawiono na rysunku 2b. Powoduje to jednocześnie znaczne przeciążenie agregatu prądotwórczego. W konsekwencji prowadzi to do wzrostu mocy agregatu i jego ceny. Dodatkowo prostownik z sinusoidalnym prądem wejściowym jest znacznie droższy niż układ z klasycznym mostkiem prostowniczym. Rozwiązaniem tego problemu wydaje się zastosowanie zamiast agregatu prądotwórczego ogniwa paliwowego. Rys. 1. Schemat układu zasilania potrzeb własnych a) Rys. 2. Widmo harmonicznych w prądzie pobieranym z sieci elektroenergetycznej: a) przez prostowniki tyrystorowe 6-pulsowe (THDi 40%), b) przez prostowniki tranzystorowe z sinusoidalnym poborem prądu z sieci (THDi 3%) b) Prof. dr hab. inż. Antoni Dmowski, dr inż. Piotr Biczel, mgr inż. Tomasz Dzik Instytut Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej Rok LXXIV 2006 nr 9 29

2 Przedmiotem artykułu jest możliwość budowy systemu zasilania potrzeb własnych, pozbawionego baterii chemicznych o dużej pojemności, agregatu prądotwórczego oraz zapewnienia pełnej informacji na temat ilości dysponowanej energii. Proponowany układ zasilania potrzeb własnych elektroenergetyki Na rysunku 3 przedstawiono schemat blokowy systemu zasilania układów potrzeb własnych, w którym zamiast agregatu prądotwórczego i baterii chemicznych o dużej pojemności zastosowano ogniwo paliwowe z dynamicznym magazynem energii. W układzie tym ogniwo paliwowe wraz z dynamicznym magazynem energii może zastąpić dwa elementy poprzedniego rozwiązania, które stwarzają najwięcej problemów. Dodatkowo mamy pełną informację o ilości dysponowanej energii. Dzięki zastosowaniu automatycznej stacji rozprężania wodoru można uzyskać nieograniczony czas podtrzymania zasilania odbiorników. Ogniwa paliwowe Ogniwa paliwowe to urządzenia, w których następuje bezpośrednia zamiana paliwa wodorowego na energię elektryczną. W wyniku reakcji otrzymujemy czystą chemicznie wodę i ciepło, a po zamknięciu obwodu elektrycznego przepływ prądu. Zaletą ogniw paliwowych jest całkowity brak toksycznych odpadów i spalin. Głównym źródłem paliwa jest którego zastosowanie jest tanie i ekologiczne. Przez zastosowanie odpowiedniego przemiennika chemicznego, zwanego reformerem, ogniwo paliwowe może być zasilane np. gazem ziemnym lub metanolem. W tabeli I zestawiono różne rodzaje ogniw paliwowych. Na rysunku 4 przedstawiono przykładowe porównania sprawności energetycznej różnych przetworników energii. Porównanie to wypada na korzyść ogniwa paliwowego, które charakteryzuje się najwyższą sprawnością i ma największy zakres uzyskiwanych mocy. Sprawność układu można zwiększyć, wykorzystując ogniwo paliwowe w tzw. układzie skojarzonym. W systemie z wysokotemperaturowymi ogniwami paliwowymi sprawność takiego układu skojarzonego sięga ok. 70%. Rys. 3. Schemat proponowanego układu zasilania potrzeb własnych Rys. 4. Porównanie sprawności różnych przetworników energii Wodorowy system zasilania z ogniwem paliwowym PULSTAR Układ zasilania z ogniwem paliwowym PULSTAR powstał na Politechnice Warszawskiej w Zakładzie Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej, przy współpracy z firmą APS Energia. Pierwszy w Polsce kompletny wodorowy system zasilania awaryjnego przedstawiono na rysunku 5. TABELA I. Porównanie różnych typów ogniw paliwowych Typ ogniwa paliwowego Zestalone tlenki Stopione węglany Kwasowe Zasadowe Z membraną wymiany protonów Elektrolit ceramika stopiona sól H 3 PO 4 KOH polimer Temperatura pracy [ C] Paliwo tlenek węgla, produkty, produkty produkty wodór produkty Reformowanie zewnętrzne, wewnętrzne zewnętrzne, wewnętrzne zewnętrzne zewnętrzne Sprawność [%] > 60 > Zakres mocy > 100 MW > 100 MW 200 kw do 10 MW 100 W do 20 kw 10 W do 10 MW 30 Rok LXXIV 2006 nr 9

3 Rys. 5. System zasilania z ogniwem paliwowym PULSTAR PULSTAR może z powodzeniem stanowić układ zasilania potrzeb własnych w elektroenergetyce, jak też wyspowy system zasilania w energię elektryczną. System eliminuje wady klasycznych układów zasilania awaryjnego, takie jak problemy z akumulatorami i agregatem prądotwórczym oraz niepewność co do ilości zgromadzonej energii. Może zasilać odbiory zmiennoprądowe. System składa się z ogniwa paliwowego jako głównego źródła energii w przypadku pracy awaryjnej, zestawu nowoczesnych przetwornic energoelektronicznych oraz małych baterii chemicznych lub superkondensatorów. Rozwiązanie takie jest potrzebne dla zapewnienia właściwej pracy układu przy skokowych zmianach obciążenia. Wartość tych chwilowych obciążeń może przekraczać obciążenie nominalne ogniwa. W ten sposób rozwiązany jest problem selektywności zabezpieczeń i rozruchu odbiorników, które wymagają dużych prądów w czasie rozruchu (np. silnik asynchroniczny). System standardowo zasilany jest czystym wodorem dostarczanym w butlach lub zbiornikach. Nad pracą całego ogniwa paliwowego i systemu dystrybucji paliwa czuwa mikroprocesorowy system nadzoru, który steruje pracą całego układu zasilania i dba o bezpieczeństwo systemu. Układ nadzoru ma możliwość zdalnej komunikacji z użytkownikiem (np. poprzez linię GSM), w celu bieżącej kontroli stanu systemu i poziomu paliwa w zbiornikach. Układ zasilania w wodór został wykonany przy użyciu automatycznej stacji rozprężania wodoru, montowanej przy butlach, umożliwiającej zdalną pracę butli i pełną ich kontrolę. Taka konstrukcja systemu umożliwia wymianę pustych butli w czasie pracy systemu zasilania. W celu zabezpieczenia zasilania podczas startu ogniwa oraz dla zapewnienia selektywności zabezpieczeń zastosowano opcjonalnie krótkotrwały magazyn energii w postaci superkondensatora. Element ten magazynuje duże ilości energii elektrycznej, podobnie jak akumulator, ale jest elementem nie wymagającym obsługi i jego czas pracy jest określany na ponad cykli. Nie wymaga również, w przeciwieństwie do baterii chemicznych, kosztownego recyklingu. W systemie PULSTAR może być zastosowana również mała klasyczna bateria chemiczna. System zasilania PULSTAR ma konstrukcję modułową i dzięki temu może być dopasowany do wymagań potencjalnego użytkownika zarówno ze względu na zainstalowaną moc, jak i na rodzaj zasilania i rezerwowanych odbiorów. Znakomicie nadaje się również do zasilania aplikacji wyspowych, a więc przy całkowitym braku sieci elektroenergetycznej. System zasilania z ogniwem paliwowym z opcją zasilania metanolem System zasilania z ogniwem paliwowym, gdzie podstawowym paliwem jest metanol, jest w trakcie badań prowadzonych przez Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej Politechniki Warszawskiej i Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Gdańskiej, przy współpracy z firmą APS Energia. Kompletny metanolowy system zasilania awaryjnego przedstawiono na rysunku 6. Uproszczony schemat układu przedstawiono na rysunku 7. Rys. 6. System zasilania z ogniwem paliwowym zasilanym metanolem Rys. 7. Uproszczony schemat systemu zasilanego metanolem Rok LXXIV 2006 nr 9 31

4 Podobnie jak pierwszy system, został on zbudowany na bazie ogniw paliwowych, z membraną wymiany protonów (PEM), wyprodukowanych przez firmę Ballard. Ogniwo takie widoczne jest na uproszczonym schemacie systemu (rys. 7). Najważniejsze dane techniczne zastosowanego ogniwa paliwowego zestawiono w tabeli II. TABELA II. Najważniejsze dane techniczne ogniwa paliwowego Nexa Paliwo wodór 99,99% Moc znamionowa 1,2 kw Napięcie znamionowe 26 V Napięcie maksymalne 50 V Prąd znamionowy 46 A Zużycie wodoru przy mocy znamionowej 18,5 Nl/min Rys. 8. System automatycznego nadzoru SAN-3 TABELA III. Najważniejsze dane techniczne procesora metanolowego 20L produkcji Genesis Fueltech Paliwo 65% wodny roztwór metanolu Czystość produkowanego wodoru 99,999% Wydajność i ciśnienie produkowanego wodoru >20 Nl/min, >0,7 bar Zasilanie 24 V DC, <30 W Sprawność 80% Rys. 9. Ekran synoptyki półautomatycznego sterowania systemu TABELA IV. Najważniejsze dane techniczne systemu zasilanego metanolem Rodzaj paliwa paliwo metanolowe: 65% wodny roztwór metanolu, wodór 99,99% (1) Moc znamionowa 2,4 kw (2) Zużycie paliwa wodór: 37 Nl/min, paliwo metanolowe: 50 ml/min (3) Produkcja wody 1,7 l/h (4) Zasilanie zewnętrzne 230 V AC, 50 Hz, ok. 1,2 kw (5) U w a g i : 1 przy spełnieniu dodatkowych wymagań na zawartość niektórych zanieczyszczeń, 2 moc przy zasilaniu wodorem lub zasilaniu mieszanym, 3 dla wodoru przy zasilaniu wodorem przy mocy znamionowej, dla paliwa metanolowego przy zasilaniu paliwem metanolowym lub zasilaniu mieszanym, 4 przy mocy znamionowej, 5 istnieje możliwość pracy systemu bez zasilania zewnętrznego tzw. praca wyspowa. Rys. 10. Ekran synoptyki automatycznego sterowania systemu 32 Rok LXXIV 2006 nr 9

5 Elementem układu, który pozwala z metanolu otrzymać wodór do zasilania ogniw paliwowych, jest procesor metanolowy. Podstawowe dane procesora metanolowego użytego przy budowie tego układu zestawiono w tabeli III, natomiast dane techniczne całego układu w tabeli IV. System metanolowy zasilania potrzeb własnych elektroenergetyki zbudowany został na bazie omówionego wcześniej systemu PULSTAR. Nowym elementem systemu jest procesor metanolowy z układem zasilania metanolem. Bardziej rozbudowany jest tutaj także system sterowania i nadzoru, który czuwa nad prawidłową pracą układu. Podstawowym paliwem jest metanol, a dodatkowo układ może być zasilany wodorem. Całość urządzenia rozmieszczono w dwóch szafach. W szafie aparaturowej nr 1 znajdują się dwa ogniwa paliwowe Nexa, procesor metanolowy, zbiornik na paliwo metanolowe, instalacje zasilające ogniwa paliwowe, instalacja wodna obsługująca ogniwa paliwowe oraz czujniki (przepływomierze, termometry, czujniki stężenia wodoru itp.). W szafie aparaturowej nr 2 znajdują się dwie kasety systemu automatycznego nadzoru typu SAN3, przetwornica główna DC/DC, falownik 230 V o wyjściu sinusoidalnym, przetwornica potrzeb własnych 48 V DC/24 V DC, prostownik zewnętrznego ładowania baterii 230 V AC/24 V DC, dwie baterie VRLA 40 Ah oraz zespół zabezpieczeń, umożliwiających przyłączenie odbiorników. Wszystkie operacje w systemie zasilania są sterowane z konsoli systemu automatycznego nadzoru SAN3 (rys. 8) lub z dołączonego zewnętrznego komputera. System SAN-3 jest wykonany w technice mikroprocesorowej. Budową przypomina komputer klasy PC. Karty wejściowe (w zależności od potrzeb analogowe lub cyfrowe, z wejściami izolowanymi lub nieizolowanymi) zbierają informacje o systemie i jego otoczeniu. Za pomocą łącza szeregowego RS485 komunikują się z jednostką centralną, która analizuje pomiary i odpowiednio steruje urządzeniem. Wszystkie parametry można obejrzeć na czołowej płycie modułu, gdzie znajduje się wyświetlacz LCD i szereg lampek informujących o stanie systemu. Można tutaj również podłączyć zewnętrzny komputer i za pomocą programu synoptyki sterować i kontrolować urządzenie oraz przechodząc do wizualizacji danych obejrzeć wszystkie parametry układu. System umożliwia dwa poziomy obsługi urządzenia przez użytkownika. Dla obsługi przeszkolonej w zakresie obsługiwania systemu i znającej jego własności przeznaczona jest synoptyka półautomatyczna, gdzie można ręcznie konfigurować system. Ekran synoptyki półautomatycznego sterowania przedstawiono na rysunku 9. Przy użyciu tego programu synoptyki możemy sterować systemem i kontrolować podstawowe parametry układu. Dla obsługi bez znajomości tego systemu przeznaczona jest synoptyka automatyczna. Pozwala ona na uruchomienie systemu o wybranej wcześniej konfiguracji. Ekran synoptyki automatycznego sterowania przedstawiono na rysunku 10. W programie tym obsługa wybiera tylko rodzaj zasilania i moc, jaką chce osiągnąć. Po wciśnięciu START, system sam zaczyna procedurę uruchomienia. W celu obejrzenia poszczególnych parametrów przechodzimy do ekranu wizualizacji (rys. 11). Na tym ekranie można wybrać parametry, jakie chcemy obejrzeć i sprawdzić stan urządzeń pracujących w systemie. Pozwala to na kontrolowanie systemu i daje o nim pełną informację. Rys. 11. Ekran wizualizacji systemu Wnioski W niedalekiej przyszłości urządzenia zasilające potrzeby własne w elektroenergetyce, wykorzystujące metanol, gaz ziemny czy też biogaz, staną się dominującymi. Już dzisiaj koncerny samochodowe wprowadzają do sprzedaży pierwsze pojazdy wyposażone w ogniwa paliwowe, niedługo aparaty komórkowe i laptopy będą mieć baterie złożone z ogniw paliwowych. Największe zalety ogniw paliwowych, takie jak: duża sprawność, niewielkie zanieczyszczenie środowiska, niewytwarzanie hałasu, możliwość dowolnej lokalizacji, system modułowy, całkowita automatyzacja pracy, możliwość zasilania różnymi rodzajami paliw, powodują duże zainteresowanie tymi urządzeniami. Istotnym argumentem staje się powoli cena tych urządzeń już obecnie konkurencyjnych wobec klasycznych systemów zasilania awaryjnego. Przedstawione powyżej urządzenia mogą z powodzeniem zastąpić eksploatowane dziś układy zasilania potrzeb własnych w elektroenergetyce, likwidując ich podstawowe wady. LITERATURA [1] Wunderlich Ch., Reichenbach F.: PEM fuel cell cogeneration power plant optimization on the way to a commercial product. Fuel Cell Home, Lucerne 2001 [2] Dmowski A., Biczel P., Kras B.: Czy ogniwa paliwowe staną się przyszłością elektroenergetyki. UPS 2001 Nowe podejście do zasilania awaryjnego, Jachranka k. Warszawy 2001 [3] Dmowski A., Biczel P., Kras B.: Hybrid solar wind fuel cell clean energy system with new type of parallel regulator. NorthSun 2001 Conference, Leiden, Holandia [4] Dmowski A., Biczel P., Kras B.: Stand-alone telecom power system supplied by PEM fuel cell and renewable sources. International Fuel Cell Workshop 2001, Kofu [5] Dmowski A., Kras B.: Fuel cell control system and power converters. Elektrische Energiewandlugssysteme, Magdeburg, Niemcy 2002 [6] Ozimek P.: Nowa koncepcja systemu zasilania układów potrzeb własnych w elektroenergetyce. Praca doktorska, Politechnika Warszawska 2006 [7] Styczyński Z.: Ogniwa paliwowe. Przyszłość zasilania? Wiosenna Szkoła Fundacji Steinbeisa Odnawialne źródła energii XXI wieku. Magdeburg, Niemcy 2001 Rok LXXIV 2006 nr 9 33