WSPÓŁPRACA OGNIWA PALIWOWEGO TYPU PEMFC Z ELEKTROWNIĄ WIATROWĄ I OGNIWEM FOTOWOLTAICZNYM W HYBRYDOWYM SYSTEMIE WYTWÓRCZYM

Transkrypt

1 WSPÓŁPRACA OGNIWA PALIWOWEGO TYPU PEMFC Z ELEKTROWNIĄ WIATROWĄ I OGNIWEM FOTOWOLTAICZNYM W HYBRYDOWYM SYSTEMIE WYTWÓRCZYM Autorzy: Bartosz Ceran, Radosław Szczerbowski ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe: ogniwa paliwowe, hybrydowe systemy wytwórcze, generacja rozproszona Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badań przeprowadzonych na modelu fizycznym hybrydowego układu wytwórczego z modelem turbiny wiatrowej, ogniwami fotowoltaicznymi oraz z ogniwem paliwowym typu PEMFC (ang. Proton Exchange Membrane Fuel Cell) z jonowymienną membraną polimerową. Podano przykłady demonstracyjnych układów wykorzystujących omawiane źródła w skali technicznej. Omówiono cechy eksploatacyjne ogniwa paliwowego typu PEMFC. 1. WPROWADZENIE Od kilkunastu lat obserwowane jest w Polsce coraz większe zainteresowanie generacją wiatrową oraz fotowoltaiką, które podyktowane jest w głównej mierze polityką Unii Europejskiej. W większości przypadków elektrownie wiatrowe oraz systemy fotowoltaiczne ze względu na swoją niewielką moc jednostkową należą do grupy rozproszonych źródeł energii elektrycznej. Powszechnie wiadomo, że źródła tego typu pracują jedynie w sprzyjających warunkach atmosferycznych (odpowiednia siła wiatru, nasłonecznienie), co stanowi ich istotną wadę. [1] W celu eliminacji silnego uzależnienia pracy źródeł odnawialnych od warunków pogodowych można zastosować hybrydowy system wytwórczy, czyli kombinację połączenia źródeł odnawialnych ze źródłami nieodnawialnymi (małe turbiny gazowe, generatory napędzane silnikami, ogniwa paliwowe itp.) i/lub zasobnikami energii elektrycznej (koło zamachowe, akumulatory, elektrolizery ze zbiornikami na wodór, super kondensatory itp.) [2] Z wymienionych technologii wykorzystujących nieodnawialne źródła energii pierwotnej duży potencjał wykazuje ogniwo paliwowe typu PEMFC, którego wartość sprawności przetwarzania energii pierwotnej do energii elektrycznej wynosi od 35 % do 60 % oraz do energii elektrycznej i ciepła do 85 %. Ponadto ogniwa paliwowe prezentują wysoką wydajność w szerokim zakresie mocy i temperatur, dlatego doskonale nadają się do pracy przy zmiennych obciążeniach. Bardzo cenną cechą technologii ogniw paliwowych jest wysoka wydajność przy niewielkim obciążeniu [1].

2 Układy hybrydowe z ogniwami paliwowymi są bardzo drogie ze względu na wysokie koszty jednostkowe ogniw paliwowych [3] oraz na konieczność przewymiarowania instalacji w przypadku pracy off-grid. W Niemczech w miejscowości Prenzlau znajduje się pierwsza europejska hybrydowa elektrownia typu wiatr-wodór, gdzie nadmiar produkowanej energii przez 3 turbiny o mocy znamionowej 2 MW jest wykorzystywany do produkcji wodoru. Elektrownia kosztowała ponad 21 milionów [7]. Druga europejska instalacja znajduje się na francuskiej wyspie Korsyka, gdzie system fotowoltaiczny o mocy zainstalowanej 560 kw współpracuje z systemem magazynowania energii na bazie wodoru i ogniw paliwowych Green energy box firmy AREVA [8]. Kolejnym przykładem demonstracyjnej instalacji w skali technicznej jest instalacja powstała w ramach projektu wind to hydrogen - Wind2H2, znajdująca się w Narodowym Centrum Technologii Wiatru (ang. National Wind Technology Center) niedaleko miejscowości Boulder w stanie Kolorado, gdzie turbiny wiatrowe o mocy 10 kw i 100 kw oraz system solarny o mocy znamionowej 10 kw współpracują z ogniwem paliwowym o mocy 5 kw. Współpraca ogniwa paliwowego z elektrownią wiatrową i systemem fotowoltaiczym w hybrydowym systemie wytwórczym jest tematem wielu publikacji jakie można znaleźć m.in. w bazie IEEE [4,5]. Autorzy prezentują modele symulacyjne źródeł oraz wykazują, że ogniwo paliwowe jest w stanie skompensować spadki mocy ze źródeł niestabilnych. Modele symulacyjne oparte są na charakterystykach eksploatacyjnych poszczególnych źródeł tj. v=f(p) elektrowni wiatrowych oraz charakterystykach zewnętrznych U=f(I) ogniw paliwowych oraz ogniw fotowoltaicznych i nie uwzględniają istotnej podczas eksploatacji stosu ogniw paliwowych pracy układu przepłukiwania kanałów anodowych, dlatego celowym wydaje się przeprowadzenie badań współpracy źródeł na modelu fizycznym. 2. CECHY EKSPLOATACYJNE OGNIWA PALIWOWEGO TYPU PEMFC Systemy ogniw paliwowych typu PEMFC wyposażone są w układ przepłukiwania anody [6] w czasie pracy, który ma na celu oczyszczenie kanałów anodowych z wszelkich zabrudzeń. Celem stosowania przepłukiwania jest utrzymanie przewodności jonowej stosu, a w konsekwencji utrzymanie wymaganej wartości natężenia generowanego prądu. W praktyce przepłukiwanie realizuje się za pomocą elektrozaworu zainstalowanego na wylocie wodoru z systemu ogniw paliwowych, który otwiera się, co pewien czas powodując zassanie wodoru, którego przepływ czyści kanały anodowe. Przykład działania układu oczyszczania anody przedstawiono na rysunku 1.

3 Rys. 1. Działanie układu płukania anody podczas pracy stosu ogniw typu PEM Nagły wzrost obciążenia na ogniwie paliwowym bez układu przepłukiwania anody, może spowodować utratę przewodności jonowej w czasie pracy, co będzie skutkowało spadkiem wartości natężenia generowanego prądu, a to uniemożliwi szybkie dostosowanie wartości mocy generowanej do aktualnego obciążenia. Systemy ogniw paliwowych typu PEMFC zasilane bezpośrednio czystym wodorem wymagają kilku minut od uruchomienia do osiągnięcia parametrów pracy, ale nie powinny pracować przy pełnym obciążeniu, aż do uzyskania znamionowej wartości temperatury pracy tzn. około C, natomiast systemy oparte na reformingu paliwa wymagają czasu do dwóch godzin do podgrzania reformera, aby osiągnąć nominalną temperaturę pracy. Z tego względu ogniwo paliwowe typu PEMFC przeznaczone do współpracy ze źródłami o stochastycznym charakterze pracy (elektrownie wiatrowe, systemy fotowoltaiczne) powinny pracować przy minimalnym obciążeniu w celu utrzymania gotowości do nagłego zwiększenia wartości generowanej mocy. 3. STANOWISKO BADAWCZE Badanie współpracy turbiny wiatrowej, ogniw fotowoltaicznych z ogniwem paliwowym typu PEMFC przeprowadzono na modelu fizycznym w mikroskali. Wybór skali modelu jest uzasadniony wysokimi kosztami rzeczywistych instalacji. W skład fizycznego modelu hybrydowego sytemu wytwórczego wchodzą następujące elementy: model turbiny wiatrowej o parametrach: moc maksymalna P max = 1,2 W, napięcie jałowe U 0 = 5,4 V, napięcie maksymalne U max = 3,5 V, prąd zwarcia I sc = 500 ma, prąd maksymalny I max = 149 ma i charakterystyce zewnętrznej i krzywej mocy przedstawionej na ry-

4 sunku 2. Charakterystyka została wyznaczona dla maksymalnej prędkości wiatru 5,20 m/s, Rys. 2. Charakterystyka zewnętrzna i krzywa mocy modelu elektrowni wiatrowej dwa ogniwa fotowoltaiczne o parametrach: napięcie jałowe U 0 = 2,0 V, prąd zwarcia I sc = 600 ma, wymiary H x W x D = 135 x 95 x 30 mm. Na rysunku 3 przedstawiono charakterystykę zewnętrzną i krzywą mocy ogniw fotowoltaicznych połączonych równolegle. Połączenie równoległe ma na celu zwiększenie wartości natężenia prądu generowanego przez ogniwa. Charakterystyki zostały wyznaczone dla maksymalnej wartości natężenia oświetlenia równej 1200 W/m 2, Rys. 3. Charakterystyka zewnętrzna i krzywa mocy ogniw fotowoltaicznych połączonych równolegle stos ogniw paliwowych PEMFC o parametrach: moc maksymalna P max = 1 W; napięcie pojedynczego ogniwa U = 0,4 0,96 V, wymiary H x W x D = 60 x 70 x 175 mm i charakterystyce zewnętrznej przedstawionej na rysunku 4,

5 Rys. 4. Charakterystyka zewnętrzna i krzywa mocy stosu ogniw paliwowych typu PEMFC multimetr cyfrowy stacjonarny GDM-8255A ze skanerem GDM-SC1 do miernika GDM- 8255A do rejestracji sygnałów napięciowych, boczniki pomiarowe B6-1A, przetwornice DC/DC DCU 09 firmy JS Elektronik podwyższających napięcie, 8 multimetrów cyfrowych do ciągłego monitorowania poszczególnych sygnałów, regulowane obciążenie stałoprądowe DC-LOAD. 4. BADANIE WSPÓŁPRACY OGNIWA PALIWOWEGO TYPU PEM Z TURBINĄ WIATROWĄ I OGNIWEM FOTOWOLTAICZNYM W celu zbadania równoległej współpracy odnawialnych źródeł wytwórczych i ogniwa paliwowego połączono wszystkie źródła równolegle z odbiornikiem stałoprądowym o regulowanej wartości prądu obciążenia DC-LOAD. W układzie zastosowano przetwornice DC/DC firmy JS Elektronik, których zadaniem było utrzymanie stałej wartości napięcia po stronie odbiornika. Wartość napięcia wynosiła 2,0 V. Schemat blokowy układu przedstawiono na rysunku 7. Rys. 5. Schemat blokowy badanego układu

6 Za pomocą multimetru cyfrowego GDM-8255A zarejestrowano sygnały napięciowe oraz (poprzez zastosowanie boczników pomiarowych) sygnały prądowe. Wartość natężenia prądu odbiornika wynosi 0,4 A i jest sumą prądów generowanych przez elektrownię wiatrową, ogniwa fotowoltaiczne oraz ogniwo paliwowe. Wybrane z serii prób pomiarowych przebiegi zarejestrowanych sygnałów przedstawiono na rysunkach Rysunek 8 przedstawia sygnały zarejestrowane przy stałej wartości prędkości wiatru 5,20 m/s i stałej wartości natężenia promieniowania słonecznego 1200 W/m 2 stałe warunki pogodowe. Prąd obciążenia wynosi 0,4 A. Ogniwo paliwowe pracuje z minimalnym obciążeniem, punkt pracy znajduje się na początku obszaru strat umownych charakterystyki zewnętrznej U = f(i) (rys. 9), generując prąd o wartości 0,04 A. Rys. 6. Zarejestrowane wartości prądów stałe warunki pogodowe Rys. 7. Charakterystyka zewnętrzna i krzywa mocy stosu ogniw PEMFC z zaznaczonym punktem pracy

7 Na rysunku 10 przedstawiono zarejestrowane sygnały prądowe trzech źródeł przy wyłączeniu elektrowni wiatrowej i wyłączonym układzie oczyszczania anody. Rys. 8. Zarejestrowane wartości prądów zmienne warunki pogodowe brak płukania anody Po 7 sekundach pracy układu wyłączono wentylator w efekcie czego wartość natężenia prądu generowanego przez model turbiny wiatrowej spadła do zera. Generowany przez ogniwo paliwowe prąd zwiększył wartość natężenia do poziomu 0,19 A po czym, ze względu na zanieczyszczony układ anodowy (wilgoć w kanale anodowym), zmniejszył ją do poziomu 0,1 A. Hybrydowy system wytwórczy nie pokrył zapotrzebowania odbiorcy. Na rysunku 11 przedstawiono zarejestrowane sygnały prądowe trzech źródeł przy wyłączeniu lampki oświetlającej komórki fotowoltaiczne i działającym układzie oczyszczania anody. Rys. 9. Zarejestrowane wartości prądów zanik natężenia promieniowania słonecznego płukanie anody w ogniwie paliwowym

8 Sprawne działanie układu płukania anody umożliwia systemowi ogniw paliwowych szybkie zwiększenie wartości mocy generowanej i kompensacje chwilowych braków mocy generowanej przez ogniwa fotowoltaiczne. W okresie miedzy 3 a 8 sekundą natężenie prądu generowanego przez ogniwo paliwowe zwiększyło swoją wartość, w efekcie, czego układ pokrył zapotrzebowanie odbiorcy, mimo chwilowego zaniku nasłonecznienia. Rysunek 12 przedstawia zarejestrowane sygnały prądowe trzech źródeł przy zasymulowanych zmiennych warunkach pogodowych. Rys. 10. Zarejestrowane wartości prądów zmienne warunki pogodowe płukanie anody w ogniwie paliwowym Analizując przebiegi zarejestrowanych sygnałów można stwierdzić, że ogniwo paliwowe, dynamicznie zmienia wartość generowanego prądu, przez co kompensuje ciągłe wahania wartości natężenia prądu generowanego przez źródła o stochastycznym charakterze pracy. Mimo zmiennych warunków pogodowych odbiorca pobiera prąd o stałej wartości natężenia 0,4 A. 5. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania współpracy źródeł na modelu fizycznym hybrydowego systemu wytwórczego z ogniwem paliwowym typu PEMFC pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: system ogniw paliwowych typu PEMFC jest w stanie w szybkim czasie pokryć braki energii wytwarzanej przez źródła odnawialne o losowym charakterze pracy (elektrownie wiatrowe, słoneczne),

9 szczególnie ważnym aspektem eksploatacji systemu hybrydowego składającego się ze źródeł o losowym charakterze pracy i ogniwa paliwowego, jest układ oczyszczania anody stosu, ogniwo niepracujące chociażby z minimalnym obciążeniem (nie rozgrzane), nie pokryje w czasie rzeczywistym wahań mocy generowanej przez elektrownie wiatrowe i fotowoltaiczne, wyniki badań na modelu fizycznym są zbieżne z wynikami autorów prezentujących badania symulacyjne na jednostkach o większych wartościach mocy znamionowej. LITERATURA [1] Ceran B., Sroka K.: Performance Analysis of a Hybrid Generation System of Wind Turbines, Photovoltaic Modules, and a Fuel Cell. Acta Energetica, numer 2/23 (2015) s [2] Paska J.: Wytwarzanie rozproszone energii elektrycznej i ciepła. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2010, s [3] Chaczykowski M.: Stacjonarne ogniwa paliwowe zasilane gazem ziemnym. Nowoczesne Gazownictwo 2006 [4] Caisheng Wang, M. Hashem Nehrir: Power Management of a Stand-Alone Wind/Photovoltaic/Fuel Cell Energy System. Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008 [5] Ahmed N.A.: On-grid hybrid wind/photovoltaic/fuel cell energy system. IPEC, 2012 Conference on Power & Energy, 2012 [6] Ogulwicz W., Węcel D., Wiciak G., Łukowicz H., Kotowicz J., Chmielniak T.: Pozyskiwanie energii z ogniw paliwowych typu PEM chłodzonych cieczą. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [7] [8] COOPERATION OF PEM FUEL CELL WITH WIND TURBINE AND PHOTOVOLTAIC CELL IN HYBRID POWER SYSTEM Key words: fuel cells, hybrid generating systems, distributed generation Summary. The paper presents the results of study of cooperation of the proton exchange membrane fuel cell with the wind power plant and photovoltaic cells in the hybrid generating system. The examples of demonstration plants on an industrial scale were presented. The operating characteristics of the PEM fuel cell were discussed. Bartosz Ceran, mgr inż. Politechnika Poznańska, Instytut Elektroenergetyki, Poznań Radosław Szczerbowski, dr inż. Politechnika Poznańska, Instytut Elektroenergetyki, Poznań