ASY PALI. Tadeusz Uhl, Maciej Kaliski, Łukasz Sękiewicz* *Akademia Górniczo - Hutnicza w Krakowie STRESZCZENIE SŁOWA KLUCZOWE: NR 59-60/2007

Transkrypt

1 Tadusz Uhl*, Macij Kaliski*, Łukasz Sękiwicz* *Akadmia Górniczo - Hutnicza w Krakowi ASY PALI IE I E II STRESZCZENIE Artykuł zawira informacj na tmat zastosowania ogniw paliwowych jako gnratorów nrgii lktrycznj i ciplnj w gospodarstwach domowych. Przdstawiono istnijąc rozwiązania oraz trndy rozwoju tj tchnologii. Ponadto dokonano ocny tchnologii ogniw paliwowych w aspkci finansowym i tchnologicznym. SŁOWA KLUCZOWE: ogniwa paliwow, wodorowy gnrator nrgii, gnrator CHP, altrnatywn iródła nrgii. Ogniwa paliwow są urządzniami lktro-chmicznymi gnrującymi nrgię lktryczną i cipło bzpośrdnio z zachodzącj w nich rakcji chmicznj. Enrgia gnrowana jst w rakcji utlniania dostarczango paliwa: wodoru lub inngo związku węglowodorowgo np. mtanolu, biogazu, gazu zimngo. Produktami ubocznymi rakcji zachodzącj w ogniwi, przy wykorzystaniu czystgo wodoru jako paliwa, jst cipło i woda. Dzięki bzpośrdnij produkcji nrgii lktrycznj, ogniwa paliwow charaktryzują się wysoką sprawnością - znaczni przwyższającą inn znan dziś gnratory nrgii. Sprawność ogniw pali- Płyta bipolarna Warstwa sparująca wowych w gnracji nrgii lktrycznj wynosi nawt 65%, przy wykorzystaniu gnrowanj dodatkowo nrgii ciplnj, sprawność kognracji wynosi około 95%. Konstrukcja ogniw paliwowych ni zawira ruchomych lmntów odróżniniu do innych klasycznych gnratorów nrgii lktrycznj. Zasada działania ogniwa paliwowgo jst taka jak ogniw lktrochmicznych. Budowę ogniwa paliwowgo przdstawiono na rys 1. Enrgia w ogniwi wytwarzana jst nimal bzgłośni, bz wytwarzania drgań. Ogniwa paliwo;v są urządzniami lokalni czystymi, przy zasilaniu wodorm skutkim ubocznym wytwarzania nrgii w ogniwach jst woda, cipło. Dodatkow związki węgla są wytwarzan przy zasilaniu ogniwa gazm zimnym, biogazm lub innymi związkami węgla z wodorm. Tchnologia ogniw paliwowych stanowi koljny krok w produkcji nrgii lktrycznj w zastosowaniach stacjonarnych i mobilnych dużj i małj mocy [2, 4, 51. Przy dzisijszym szybkim wzrości zapotrzbowania na nrgię i ograniczonych złożach paliw kopalnych, szacuj się, ż tchnologia ogniw paliwowych rozpowszchni się już w drugij dkadzi biżącgo stulcia. Prognozę tą potwirdzają informacj zawart na stroni intrntowj Dpartamntu Enrgii USA [8, 8 fi. Pirwsz komrcyjn produkty bazując na tchnologii Katalizator rakcji na anodzi powoduj rozbici wodoru na proton i lktron sparująca bipolarna Elktrolit pzpuszaza tylko protony. podczas gdy lktrony przmiszczają sią zwn trznym obwodm i wytwarzają prąd lktryczny ogniw paliwowych są już dostępn na rynku konsumnckim, tchnologia ta jst wciąż rozwijana. Ponadto prowadzon są prac mając na clu opracowani norm i rgulacji w clu budowy infrastruktury wodorowj i płngo wdrożnia tj tchnologii. Nalży podkrślić, ż wodór ni jst bardzij nibzpicznym nośnikim nrgii niż bnzyna, czy gaz zimny. W porównaniu z bnzyną, wodór cchuj: Rys. 1. Zasada działania ogniwa paliwowgo. Źródło: opracowani własn

2 Rys. 2. Zastosowania ogniw paliwowych. wyższa tmpratura zapłonu 55Ó 'C ( oc dla bnzyny), - w przypadku przciku, wodór jako najmnijszy i najlżjszy pirwiastk układu okrsowgo, ulatnia się do atmosfry, a ni gromadzi w mijscu wyciku, - wodór jst pirwiastkim nitoksycznym, występującym w atmosfrz i ni jst szkodliwy dla człowika, - wynikim spalania wodom z czystym tlnm powstaj woda, procs spalania wodom ni powoduj więc zaniczyszcznia środowiska, zbiorniki przchowując wodór pod ciśninim są zbudowan z spcjalnych matriałów i są w płni bzpiczn. W razi uszkodznia zbiornika, wyciku wodom i zapłonu - wodór spali się poza zbiornikim ni powodując ksplozji. Przykładow zastosowania ogńiw paliwowych przdstawiono na rys. 2. Jak widać ogniwa paliwow znalazły zastosowani jako stacjonarn gnratory małj i śrdnij mocy, gnratory prznośn, batri do zasilania urządzń prznośnych (np. notbooki, tlfony komórkow, PDA itd.), jdnostki napędow pojazdów mchanicznych. Ogniwa stoslij się w przmyśl kosmicznym, wojsku, lotnictwi i marynarc. Zalty ogniw paliwowych są następując: ogniwa paliwow posiadają doskonały współczynnik masa/gęstość nrgtyc;zna i objętość/gęstość nrgtyczna, co w połączniu z wysoką wydajnością i skalowalnością umożliwia ich stosowani w dowolnych aplikacjach, - ogniwa paliwow są naj czystszym i najbardzij fktywnym znanym źródłm nrgii. Gnmją nrgię bzpośrdnio z rakcji chmicznj. Produktm ubocznym przy zastosowaniu wodom jako paliwa jst cipło i woda, - w przypadku zasilania ogniwa paliwowgo gazm zimnym, ogniwo produkuj takż dwutlnk węgla, jdnak w niwilkich ilościach. W porównaniu z konwncjonalną lktrownią rdlikcja C02 wynosi 60 %, w porównaniu z nowoczsną lktrownią gazową o 25%. Ponadto dwutlnk węgla jst mitowany w skoncntrowanj formi, co pozwala na jgo łatw wychwytywani i składowani, - ogniwa wysokotmpraturow mogą być napędzan różnorodnymi paliwami wysokowodorowymi np. gaz zimny, biogaz, mtanol, a nawt olj napędowy, - ogniwa paliwow wytwarzają nrgię bz dodatkowych drgań i hałasu, - wysoka sprawność ogniw do 65% w gnracji nrgii lktrycznj, do 95% w kognracji nrgii lktryczn i ciplnj, ogniwa są znakomici skalowaln, przz co można j łatwo przystosować do różnych zastosowań, ogniwa paliwow mogą przyczynić się do dywrsyfikacji paliw i do dcntralizacji sici nrgtycznj, Wyminion wyżj cchy łatwo zobrazować przykładami: - ogniwo o mocy 85 kw charaktryzuj się wymiarami 805 x 375 x 250 i waży 96 kg. - imponująca wydajność nrgtyczna ogniwa - notbook zasilany ogniwm paliwowym moż pracować przz 10 godzin zasilany z 250 mi zbiornika z mtanolm. Powyższ zalty ogniw paliwowych można łatwo wykorzystać takż do produkcji nrgii w gospodarstwach domowych. Gnratory CHP (ang. Combind Hat and Powr - gnrator nrgii lktrycznj i ciplnj) mogą pracować jako pirwotn źródła nrgii, źródła nrgii włączon w sić oraz jako zasilacz awaryjn UPS. Z względu na brak infrastmktury wodorowj, gnratory CHP często są przystosowan do zasilania gazm zimnym. Jdnak w takim przypadku gnratory wykorzystują wysokotmpraturow ogniwa paliwow pozwalając na wwnętrzny rforming gazu w clu uzyskania wodom, lub koniczn jst zastosowani tzw. procsora paliwowgo wytwarzającgo wodór z gazu zimngo. Zastosowani wysokotmpraturowgo ogniwa paliwowgo wiąż się z zmnijsznim szybkości rakcji gnratora na zmianę obciążnia oraz wydłużnim czasu rozmchu, co wymaga zbudowania bardzij skomplikowango układu modlowania nrgii. Z koli zastosowani procsora paliwowgo zwiększa koszt gnratora' i zmnijsza jgo sprawność (z względu na dodatkową ilość nrgii wymaganą przz procsor paliwowy). Optymalnym rozwią-

3 zanim jst zastosowani gnratora wytwarzającgo nrgię bzpośrdnio z czystgo wodoru. Wówczas ni występuj lokalna produkcja związków węgla, gnrator ni wymaga implmntacji dodatkowgo urządznia przz co konstrukcja jst prostsza, przy jdnoczsnym obniżniu cny gnratora. Przszkodą jst brak infrastruktury wodorowj i koniczność składowania wodoru w zbiorniku, co ogranicza możliwość ciągłj pracy gnratora. Ogranicznia t są bzpośrdnio powiązan z nidawnym pojawinim się tchnologii ogniw paliwowych na rynku konsumnckim. Nalży jdnak traktować opisywaną tchnologię jako koljną gnrację urządzń wytwarzających nrgię. Z pwnością wraz z rozwojm tj tchnologii wyminion powyżj przszkody staną się niaktualn dzięki budowi infrastruktury wodorowj. Gnratory "wodorow" pozwolą na zdcntralizowani sici nrgtycznj i wpłyną na lpsz wykorzystani surowców nrgtycznych poprzz wysoką sprawność i zminimalizowani strat wynikających z przsyłu nrgii na dalki odlgłości. Biorąc pod uwagę sprawność CHP w zakrsi gnrowania nrgii lktrycznj i ciplnj, przprowadzono analizy konomiczn oraz analizy zapotrzbowania na nrgię dla domów jdnorodzinnych stanowiących potncjaln źródło popytu dla gnratorów wykorzystujących ogniwa paliwow do gnracji nrgii. POLSKI RYNEK GOSPODARSTW DOMOWYCH (DOMÓW JEDNORODZINNYCH) a) ocna zapotrzbowania domu jdnorodzinngo na nrgię lktryczną Krajow zużyci nrgii lktrycznj w 2004 roku wynosiło 130,5 TWh z tgo w gospodarstwach domowych 22,8 TWh, tj. 17,5% (rys.3). W okrsi cztrch lat zużyci nrgii lktrycznj w kraju wzrosło o 4,7% a w gospodarstwach domowych o 6,7%. Wdług Narodowgo Spisu Powszchngo 2002 w kraju jst tysięcy gospodarstw domowych. Śrdni zużyci nrgii lktrycznj w gospodarstwi domowym w Polsc wyniosło 1624 kwh.. Roczn zużyci nrgii lktrycznj na 1 miszkańca przdstawiono na rys. 3: Rys. 3. Dan statystyczn zużycia nrgii lktrycznj na osobę. Źródło: Roczniki Statystyczn GUS. b) ocna zapotrzbowania domu jdnorodzinngo na nrgię ciplną Zapotrzbowani na cipło dla ogrzwania budynków jst coraz niższ. Fakt tn wynika z stosowania coraz lpszych izolacji ciplnych, a takż okin i drzwi o coraz lpszych paramtrach trmoizolacyjnych. Budynki stargo typu bz do ciplnia wymagały nawt 200 kwh/m2 nrgii ciplnj na rok, dzisijsz budynki potrzbują ok kwh/m2 rok. Jżli przyjąć, ż typowy dom jdnorodzinny spłniający obcn normy trmoizolacji ma powirzchnię 150 m2, to jgo zapotrzbowani na moc ciplną ni powinno przkroczyć wartości 7,5kW. Gnrator CHP o mocy lktrycznj 16 kw i sprawności 60% (10 kw mocy ciplnj) jst w stani zapwnić wystarczającą ilość nrgii lktrycznj dla domu jdnorodzinngo. 300r , D W.tyłMjIlll'."".Ju1 _ Smty cl.pllii pr.c:.z,"",rod, c.. pt" wod tyt.o......,.. ",!:" docl.,... lo.. ".." ",,'.ł. d;i,.c;;;' lud)'lttk dobt1:..-;''''';;ło8y "_ol<,,.n dod-,lon, Rys. 4. Zapotrzbowani na nrgię ciplną (kwh/m2)/rok. Źródło: Vissmann Pirwsz gnratory są już dostępn na rynku konsumnckim, jdnak większość jst opjęta programami tstów i będzi komrcyjni dostępna dopiro w rz tchnologii wodorowj. Jdnak już dziś, na podstawi informacji udostępnionych przz producntów gnratorów wykorzystujących ogniwa paliwow można stwirdzić,' ż gnratory CHP wykorzystując ogniwa paliwow mogą częściowo lub całkowici zastąpić inn źródła nrgii. Koszt gnracji nrgii lktrycznj jst porównywalny z cną nrgii wytwarzanj w wilkich lktrocipłowniach, nistty koszt zakupu gnratora CHP jst wciąż zbyt wysoki. Fakt zwiększającgo się poziomu zużycia nrgii lktrycznj w gospodarstwi domowym wynika z coraz większgo znacznia urządzń zasilanych nrgią lktryczną w codzinnym życiu oraz szybkim upowszchnianim się nowych urządzń lktrycznych na rynku. Przy jdnoczsnym ograniczonym potncjal paliw kopalnych, ważnym staj' się ograniczni zużycia nrgii lktrycznj poprzz wytwarzani oszczędnych urządzń lktrycznych oraz wdrażanim nowych, wydajnych, altrnatywnych źródł nrgii. Ogniwa paliwow mogą w znacznym stopniu przyczynić się do rozwiązania wspomnianych problmów. Trndy widoczn w produkcji gnratorów CHP w oparciu o tchnologię ogniw paliwowych okrślają ich przyszł zastosowani jako: lktrowni małj i śrdnij mocy do kilku MW. Taki rozwiązania mogą zapwnić. nrgię dla kilku gospodarstw przy zapwniniu dużj sprawności działania, gnratory UPS. Dzięki dużj sprawności, gnratory zasilan wodorm dklasują gnratory spalinow (stosowan np. w szpitalach) i gnratory bazując na kon-

4 wncjonalnych batriach/akumulatorach pod względm czasu pracy i kultury pracy oraz współczynnikom masa/ objętość/gęstość nrgtyczna, gnratory CHP równolgl włączon w sić / UPS. Jak wynika z badań przprowadzonych przz firmę PANA SONIC, dzinny rozkład zużycia nrgii w gospodarstwi domowym jst silni zróżnicowany. W takim przypadku gnrator CHP jst w stani zapwnić produkcję nrgii na pwnym ustalonym minimalnym poziomi, podczas gdy nadwyżki nrgii zapwni sić nrgtyczna. Moc dostarczana przz gnrator CHP jst dowolni skalowalna. Ogranicznim jst ilość wodoru w zbiorniku. Standardowa butla z wodorm (6000 normalnych litrów wodoru pod ciśninim 200 bar, objętość butli - 301) zawira ilość wodoru wystarczającą do wytworznia 8 kw mocy w czasi 200 minut, - gnratory CHP stanowiąc pilwotn iródło nrgii. Taki rozwiązani ni jst obcni łatw do zaadoptowania z względu na brak infrastruktury wodorowj. Gnratory zasilan gazm zimnym są poddan tstom, al obcni ni są dostępn na Iynku. Nalży przypuszczać, ż z względu na łatwy dostęp do gazu zimngo, to właśni t gnratory jako pirwsz zaczną pracować jako pirwotn iródła nrgii w zastosowaniu do gospodarstw domowych [2], - systmy hyblydow (rys. 5,6,7). Gnratory CHP mogą współpracować z innymi iródłami nrgii np. ogniwami fotowoltaicznymi, turbinami gazowymi. Dzięki zjawisku lktrolizy, rakcji pozyskiwania wodoru z wody przy dostarczniu napięcia DC, nadmiar nrgii słoncznj lub nrgii wiatru moż być wykorzystany do produkcji wodoru, a następni jgo wykorzystaniu do produkcji nrgii w ogniwach paliwowych np. w nocy. ObCni tchnologia ogniw paliwowych stoi na progu komrcjalizacji. Rozwój tj tchnologii jst bardzo dynamiczny, przwiduj się wprowadzni do komrcyjnj sprzdaży ogniw paliwowych w latach Jdnak wciąż cna ogniw pozostaj wysoka, co wynika z małj ilości firm zajmujących się produkcją ogniw i wczsngo stadium rozwoju tj tchnologii. Duż nakłady na badania przyczyniają się do szybkigo wzrostu jakości ogniw paliwowych, al gnrują wysoką cnę. Koszt ogniw paliwowych jst coraz mnijszy. Kilowat mocy w ogniwi paliwowym używanym w programi kosmicznym Apollo (1970) kosztował 600 OOO$/kW, natomiast dziś koszt kilowata wynosi od 1500$/kW. Dla porównania koszt 1 kw mocy dla gnratora spalinowgo wynosi $/kw, natomiast dla turbiny gazowj - 400$ lub mnij. Wdług Dpartamntu Enrgii USA, dofinansowani badań rozwojowych dla tchnologii ogniw. paliwowych w clu zwiększnia wydajności przy jdnoczsnym zmnijszniu kosztów ogniw jst bardzo duż i wynosi 1,2 miliarda $ w ciągu najbliższych 5 lat. Clm jst osiągnięci cny na poziomi 400 $ / kw w roku 2010 przy zapwniniu sprawności ogniwa na poziomi ponad 40 % (w gnracji nrgii lktrycznj). Podobn programy naukowo - badawcz są finansowan takż w innych krajach wysokorozwiniętych. Przodownikim w wdrażaniu ogniw paliwowych i prac badawczych jst Japonia, gdzi gnratory CHP już dziś produkują nrgię lktryczną i ciplną w domach. Więcj informacji na tmat analiz konomicznych oraz badań prowadzonych w clu wdrożnia ogni paliwowych, znajduj się w pracy [3]. Koszt produkcji 1 kwh przy zastosowaniu czystgo wodoru wynosi w warunkach polskich 1,35 zł. Rys. 5. Przykład systmu hybrydowgo ogniwo paliwow + ogniwo fotowoltaiczn + lktrolizr. Ogn,"o pallwow. I Linia bzpośrdnigo zasilania Rys. 6. Przykład systmu hybrydowgo ogniwo paliwow+ ogniwo fotowoltaiczn. Ocniając dzisijszy stan rozwoju tchnologii ogniw paliwowych nalży zdawać sobi sprawę z faktu wilu barir tchnologicznych i konomicznych, któr nalży przkroczyć, aby tchnologia ta stała się dostępna dla odbiorców komrcyjnych. Z drugij strony liczn prac i programy pilotażow pozwalają stwirdzić, ż komrcjalizacja tchnologii ogniw paliwowych jst kwstią czasu. Gnratory CHP opart na tchnologii ogniw paliwowych są przdmiotm badań i prac wilu zaawansowanych tchnologiczni firm. Takż w Polsc podjęto działania mając na clu skonstruowani gnratora CHP przznaczongo do gnrowania nrgii lktrycznj i cipła w domach jdnorodzinnych. Prac prowadzon są wspólni przz Akadmię Górniczo - Hutniczą i firmę Enrgocontrol z Krakowa. Być moż już w najbliższych latach polski domy jdnorodzinn będą korzystały z nrgii gnrowanj przz ogniwa paliwow.

5 Altrnatywn źródła nrgii Elktrolizr Nadwyżki nrgii Zasilani bzpośrdni Bufor nrgii Rys. 7. Schmat samodzilngo hybrydowgo systmu zasilania. Litratura [1]. Fldznsztajn A, Pacuła L, Pusz J.: " Wodór paliwm przyszłości", Instytut Wdrożń Tchnicznych, 2003 [2]. Singr M, Pax c.: " Opportunitis with ful clls" Enrgy Information Administration / Naturai Gas Monthly; 1994 [7]. Matriały z stron producntów ogniw paliwowych : a) b) c) d) ) [3]. Samulsn S.: " Draft Ful Clls Economic Analysis Rport ", California Air Rsourcs Board Contract, 2004 [4]. Croppr M.: " Ful Cli Markt Survy: Larg Stationary Applications ", Ful Cli Today, 2003 [5]. Gigr S, Croppr M.: "Ful Cli Markt Survy: Smali Stationary Applications ", Ful Cli Today, 2003 [6]. Pasirb S, Wojtulwicz], Osick! A.: " Oszacowani potncjału zmnijsznia zużycia nrgii lktrycznj w gospodarstwach domowych w Polsc ", Fundacja na rzcz fktywngo wykorzystania nrgii, 2006 [8]. Matriały z stron instytucji państwowych i organizacji promujących rozwój tchnologii ogniw paliwowych: a) - Ministrstwo Enrgii USA, b) - Hydrogn and Ful Clls Cods & Standards Coordinating Committ c) wwwjulcllurop.org - Ful Cli Europ d) wwwjulclltoday.com - Ful Cli Today ) f) r. nrgy. gov /hydrognandfulclls/prsidnts_initiativ.html