ANALIZA I PORÓWNANIE UKŁADÓW ENERGETYCZNYCH ZAWIERAJĄCYCH WĘGLANOWE OGNIWO PALIWOWE

Transkrypt

1 ANALIZA I PORÓWNANIE UKŁADÓW ENERGETYCZNYCH ZAWIERAJĄCYCH WĘGLANOWE OGNIWO PALIWOWE Autorzy: Marcin Wołowicz, Jarosław Milewski, Krzysztof Badyda ("Rynek Energii" - sierpień 2014) Słowa kluczowe: węglanowe ogniwa paliwowe, układy hybrydowe Streszczenie. W artykule przedstawiono analizę i porównanie układów energetycznych zawierających węglanowe ogniwo paliwowe. Omówiono różne konfiguracje takich układów poczynając od najprostszej, czyli ogniwa pracującego samodzielnie, a kończąc na hybrydowych układach z turbiną gazową, parową i powietrzną. Omówiono również główne parametry pracy układów energetycznych z węglanowym ogniwem paliwowym istotne z punktu widzenia usytuowania ogniwa paliwowego w takim układzie. Wytypowano główne parametry, które są uniwersalne dla każdego układu energetycznego współpracującego z ogniwem. Są to: ilość paliwa jakie zostało utlenione w procesach elektrochemicznych zachodzących w ogniwie (zarówno całkowita jak i procentowa), temperatura pracy ogniwa, ciśnienie pracy i straty ciśnienia, sprawność i moc ogniwa. 1. WPROWADZENIE Od pewnego czasu coraz wyraźniejsze stają się tendencje do poszukiwania czystych, a jednocześnie wydajnych technologii wytwarzania energii, w szczególności elektrycznej [8]. Z jednej strony poszukuje się możliwości szerokiego zastosowania odnawialnych źródeł energii jak np.: siły wiatru, energii słonecznej czy geotermicznej, z drugiej próbuje się ograniczyć rozwój energetyki jądrowej. Bardzo wiele czyni się w kierunku poprawy czystości technik wytwarzania energii opartych o spalanie paliw organicznych. Jest to jednak niewystarczające w celu realizacji wymaganego przez Unię Europejską ciągłego zmniejszania emisji CO 2. Prace nad zmniejszeniem emisji CO 2 są ciągle prowadzone, np.: [3, 4, 7]. Istnieją również inne możliwości ograniczenia emisji, jak na przykład podnoszenie sprawności przetwarzania energii pierwotnej w energię elektryczną. Jednym z przykładów może być stosowanie tzw. urządzeń bezpośredniej przemiany. Ogniwa paliwowe, w szczególności wysokotemperaturowe MCFC (od ang. Molten Carbonate Fuel Cell) i SOFC (od ang. Solid Oxide Fuel Cell) są uważane za jedne z bardziej perspektywicznych źródeł energii elektrycznej [19]. Związane jest to z potencjalnie bardzo wysoką sprawnością tych urządzeń wynikającą z bezpośredniości przemiany energii chemicznej paliwa w prąd elektryczny z pominięciem ograniczeń dla silnika cieplnego (obieg Carnota). Szacunkowe dane oparte o obecnie stosowane modele sugerują bardzo wysoką sprawność możliwą do osiągnięcia przez ogniwa paliwowe (patrz rys. 1).

2 Rys. 1. Sprawność generacji energii elektrycznej przez różne źródła (w odniesieniu do ciepła spalania) Ogniwa paliwowe znajdują szereg zastosowań w energetyce. Mogą pracować w skojarzonym wytwarzaniu energii elektrycznej i ciepła [2, 5, 16 18] jak również w układach trójgeneracyjnych [13]. Ponadto mogą być zasilane biopaliwami [9], co przy rosnących cenach paliw jest nie bez znaczenia. Nie bez znaczenia jest również fakt, że węglanowe ogniwa paliwowe (MCFC) jako jedyne ze wszystkich typów ogniw paliwowych dają możliwość bezpośredniej redukcji emisji CO 2 poprzez jego wychwyt [14, 15]. Mając na uwadze powyższe, przeprowadzona została analiza i porównanie wybranych układów energetycznych z węglanowym ogniwem paliwowym. 2. PORÓWNANIE WYBRANYCH UKŁADÓW ENERGETYCZNYCH Z WĘGLANOWYM OGNIWEM PALIWOWYM Ogniwo paliwowe MCFC najczęściej nie pracuje zupełnie samodzielnie i jest włączone w układ energetyczny. Występuje tutaj szereg możliwości. W najprostszym przypadku ogniwo współpracuje z dwiema sprężarkami (wentylatorami) dostarczającymi gazy robocze do przepływu anodowego i katodowego. W najbardziej skomplikowanym przypadku mamy do czynienia z całym zespołem urządzeń począwszy od podukładu turbiny gazowej, a skończywszy na szeregu wymienników ciepła. Prawidłowy bilans cieplny ogniwa jest zagadnieniem kluczowym z punktu widzenia jego osiągów oraz żywotności. Do jego zapewniania wykorzystywane są odpowiednie wymienniki ciepła, może być to także realizowane poprzez zawrócenie (recyrkulację) części gazów zza ogniwa i zmieszanie ich z gazami dostarczanymi do odpowiednich wlotów. Recyrkulacja gazów anodowych ma jeszcze inne zadanie do spełnienia, mianowicie w przypadku gdy ogniwo jest zasilane gazem ziemnym (lub innymi węglowodorami) może wystąpić niekorzystne zja-

3 wisko w postaci odkładania się na powierzchni ogniwa węgla w postaci stałej (ang. carbon deposition). W celu uniknięcia tego zjawiska konieczne jest wstępne wymieszanie paliwa węglowodorowego z parą wodną. Zadanie to może być zrealizowane poprzez dodatkowy strumień wody bądź pary wodnej generowanej w dodatkowym kotle, bądź też właśnie poprzez zawrócenie części gazów anodowych, które zawierają znaczne ilości pary wodnej. Recyrkulacja części gazów (zarówno anodowych jak i katodowych) ze względu na występujące straty ciśnienia musi być wymuszona. Do pokonania strat ciśnienia może być wykorzystany odpowiedni wentylator lub w przypadku gazów anodowych: strumienica zasilana dostarczanym paliwem. Naturalną aplikacją ogniwa paliwowego MCFC w układ energetyczny jest połączenie ogniwa z turbiną gazową, tak, że ogniwo spełnia podobną funkcję jak komora spalania. W układzie tym (podobnie jak w układzie samej turbiny gazowej) spaliny opuszczające turbinę mają stosunkowo wysoką temperaturę, tak więc układ ten można poprawić montując odpowiedni wymiennik ciepła. Występuje jeszcze wiele innych możliwości konfiguracji ogniwa paliwowego w układ hybrydowy [22] (np. z podukładem turbiny powietrznej, parowej, itp.) Ogniwo pracujące samodzielnie Z zasady działania ogniwa paliwowego typu MCFC wynika, iż w skład wylotowych gazów anodowych wchodzi dwutlenek węgla, przetransportowany z katody w procesie elektrochemicznym oraz palne cząstki. Z tego względu najprostsza struktura układu z ogniwem paliwowym (rys. 2) zawiera komorę dopalającą części palne gazów anodowych. Rys. 2. Schemat ogniwa paliwowego MCFC wolnostojącego

4 Przy założeniu doprowadzenia do komory spalania odpowiedniej ilości powietrza spaliny zawierają niezbędne do zasilenia katody ogniwa składniki: tlen i dwutlenek węgla w wymaganych proporcjach. Układ dodatkowo musi być wyposażony w wentylator wprowadzający do komory spalania powietrze oraz wymienniki zapewniające odpowiednie parametry mieszaniny gazowo-parowej. Możliwe jest zastosowanie dodatkowych wymienników (np. wymiennika podgrzewającego mieszaninę paliwowo-parową od gazów opuszczających komorę dopalającą), które mogą wpływać na poprawienie warunków pracy lub sprawności ogniwa. Schemat ogniwa paliwowego typu MCFC wolnostojącego zaprezentowany jest na rys Układy Hybrydowe z atmosferycznym ogniwem MCFC Układ hybrydowy z atmosferycznym ogniwem paliwowym MCFC pokazany jest na rysunku 3. Zaprezentowane na rysunkach 3 oraz 4 układy oparte są na wariancie ogniwa wolnostojącego (rys. 2). Układ z obiegiem parowym (rys. 3) polega na dołączeniu obiegu parowego z kotłem odzysknicowym. Poszczególne wymienniki kotła odzysknicowego mogą być usytuowane w różnych miejscach umożliwiających odbiór ciepła np.: zza komory spalania, bezpośrednio zza katody ogniwa czy też odbiór ciepła od gazów opuszczających wymiennik podgrzewający paliwo lub z różnych miejsc jednocześnie (kombinacja wymienionych punktów). Rys. 3. Układ hybrydowy z atmosferycznym ogniwem paliwowym MCFC i obiegiem parowym Układ hybrydowy z atmosferycznym ogniwem paliwowym i turbiną powietrzną (rys. 4) polega na dobudowaniu do układu wolnostojącego dodatkowego obiegu z turbiną powietrzną i wysokotemperaturowym wymiennikiem ciepła. Oczywiście jest wiele możliwych kombinacji tego układu związanych z rozmieszczeniem poszczególnych wymienników jak też z możliwością zastosowania chłodzenia międzystopniowego w sprężarce czy przegrzewu międzystopniowego powietrza w turbinie. Kolejna z rozważanych struktur (rys. 5) to układ posiadający atmosferyczne ogniwo paliwowe oraz turbinę gazową.

5 Rys. 4. Układ hybrydowy z atmosferycznym ogniwem paliwowym MCFC i turbiną powietrzną Rys. 5. Układ hybrydowy z atmosferycznym ogniwem paliwowym MCFC i turbiną gazową Gaz dostarczany do katody ogniwa pochodzi z wylotu turbiny gazowej, która zasilana jest z katalitycznej komory dopalającej gazy anodowe. Niezbędne z tego względu jest zastosowanie dodatkowej sprężarki gazów anodowych umożliwiającej zasilenie komory spalania paliwem. Rozmieszczenie wymienników w strukturze układu, jak też wprowadzenie międzystopniowego chłodzenia w sprężarce oraz międzystopniowego przegrzewu (lub spalania) w turbinie, stwarza szereg możliwości związanych z rozbudową i poprawą własności analizowanej struktury Układ Hybrydowy z ciśnieniowym ogniwem MCFC W układzie hybrydowym z ciśnieniowym ogniwem paliwowym (patrz rys. 6) należy tak dobrać i połączyć ze sobą urządzenia i maszyny, żeby zapewnić odpowiednie parametry czynników zasilających ogniwo pracujące w tym przypadku przy ciśnieniu czynników znacznie wyższym od ciśnienia otoczenia.

6 Należy zwrócić uwagę nie tylko na skład i temperatury gazów, które muszą być na odpowiednim poziomie zapewniającym pracę ogniwa ale także i ciśnienia gazów zasilających elektrody, które powinny mieć zbliżone wartości tak by nie dopuścić do zniszczenia matrycy elektrodowej w ogniwie. Jednym z możliwych rozwiązań układu hybrydowego z ciśnieniowym ogniwem paliwowym jest struktura przedstawiona na rys. 6. Paliwo i woda dostarczane są pod ciśnieniem nieco wyższym od ciśnienia powietrza za sprężarką (wyższym o spadek ciśnienia na odpowiednim wymienniku podgrzewającym wodę lub gaz oraz spadek ciśnienia na reformerze i anodzie ogniwa). Różnica ciśnień gazów na wylocie anody i katody jest równa spadkowi ciśnienia gazu na katalitycznej komorze dopalającej i katodzie. Rys. 6. Układ Hybrydowy z ciśnieniowym ogniwem MCFC i turbiną gazową Rozważana struktura układu może oczywiście być modyfikowana na wiele sposobów. Możliwe jest na przykład rozważenie chłodzenia międzystopniowego w sprężarce czy też dobudowanie do struktury układu dodatkowego wymiennika podgrzewającego mieszaninę parowo-gazową od gazów opuszczających katalityczną komorę dopalającą, kierowanych do katody ogniwa Układ hybrydowy z turbiną gazową Hybrydowy układ wytwarzania ogniwo paliwowe-turbina jest skomplikowanym systemem wieloźródłowym. Ponieważ turbina pracuje na spalinach z ogniwa paliwowego oba stanowią układ wzajemnie powiązany. Specyfika pracy MCFC wymaga podawania mieszaniny tlenu i dwutlenku węgla do przepływu katodowego. Realizowane jest to za pomocą umieszczenia komory spalania przed MCFC, przy czym komora ta zasilana jest gazami pochodzącymi z przepływu anodowego, który zawiera nieutlenione związki. W układach z ogniwami paliwowymi MCFC występuje więc konieczność umiejscowienia komory spalania przed ogniwem. Wobec czego, turbina gazowa pracuje bezpośrednio na spalinach z ogniwa bez możliwości podniesienia ich temperatury. W związku z tym, maksymalna temperatura pracy ogniwa jest jednocześnie maksymalną temperaturą gazów przed turbiną. Daje to dosyć niskie war-

7 tości tej temperatury (rzędu 650 C) w porównaniu z klasycznymi turbinami gazowymi (gdzie temperatura spalin może dochodzić nawet do 1500 C). Sytuacja taka powoduje, iż w układzie z ogniwem MCFC nie można uzyskać ekstremalnie wysokich sprawności. Jedną z pierwszych prób wprowadzenia do układu MCFC turbiny gazowej przedstawiono w [11]. Autorzy przedstawiają koncepcję takiego układu wychodząc od prostego układu tylko z recyrkulacją. Sprawność takiego układu deklarowana jest przez autorów na 67%. Ci sami autorzy w artykule [12] zaprezentowanym dwa lata później proponują rozwiązania optymalizujące podobny układ i przeprowadzają jego analizę. We wspomnianym opracowaniu zostały przeprowadzone analizy wpływu stosunku mocy ogniwa paliwowego do mocy turbiny gazowej na sprawność układu MCFC/GT dla trzech różnych stopni utylizacji paliwa (0.6, 0.7 oraz 0.8). Układy hybrydowe z turbiną gazową mogą należeć do grupy układów ciśnieniowych oraz atmosferycznych. Układ hybrydowy z ciśnieniowym ogniwem MCFC i turbiną gazową zaprezentowany jest na rysunku 6, natomiast układ hybrydowy z atmosferycznym ogniwem paliwowym MCFC i turbiną gazową przedstawiony jest na rysunku 5. W pracy [21] zaprezentowana jest analiza osiągów różnych rodzajów układów hybrydowych ogniwa paliwowego MCFC w połączeniu z turbiną gazową, natomiast w artykule [10] autorzy prezentują układ hybrydowy z węglanowym ogniwem paliwowym oraz dwoma wymiennikami ciepła Układ Hybrydowy z atmosferycznym i ciśnieniowym ogniwem MCFC Można rozważać strukturę układu hybrydowego z dwoma ogniwami, z których jedno pracuje w warunkach podwyższonego ciśnienia znacznie różnego od ciśnienia otoczenia, natomiast drugie jest ogniwem atmosferycznym. Dodatkowo układ może zawierać na przykład obieg turbiny gazowej, powietrznej czy nawet obieg parowy. Natomiast złożoność struktury nie koniecznie musi wpływać korzystnie na osiągi układu. Warto zaważyć, iż we wszystkich rozważanych strukturach układów hybrydowych, możliwe jest zastosowanie recyrkulacji gazów katodowych, polegającej na zawróceniu czynnika opuszczającego katodę na jej wlot przy użyciu wentylatora Pozostałe układy energetyczne z węglanowym ogniwem paliwowym Istnieje jeszcze wiele innych układów zawierających węglanowe ogniwo paliwowe. Większość jest jeszcze w fazie prób i analiz. Szeroko zakrojone są prace nad układami do separacji CO 2 ze spalin (węglanowe ogniwo paliwowe stwarza taką możliwość). Przykładowy taki układ przedstawiony jest w publikacji [1]. Więcej informacji na ten temat można znaleźć w opracowaniach [14, 15]. Prowadzone są doświadczenia nad układami zasilanymi biopaliwmi. Teoretyczne rozważania na temat zastosowania biopaliw do zasilania układów hybrydowych z ogniwem MCFC przedstawione są w artykule [6]. W opracowaniu [20] przedstawiona jest natomiast koncepcja układu z zastosowaniem ogniwa paliwowego MCFC oraz gazyfikacją biomasy. Nie bez znaczenia jest również fakt możliwości zastosowania układów z

8 węglanowym ogniwem paliwowym w rozproszonych źródłach energii. Źródła te pracują przeważnie w zakresach niewielkich mocy, do czego węglanowe ogniwa paliwowe idealnie się nadają. Sprawność ich bowiem w niewielkim stopniu zależy od generowanej mocy, czego nie można powiedzieć o turbinach i silnikach tłokowych. Ponadto możliwe generowanie energii w skojarzeniu (energia elektryczna oraz ciepło), co znacznie podnosi sprawność. W artykule [23] zaprezentowane są różne układy hybrydowe z ogniwem MCFC, które znajdują zastosowanie w energetyce rozproszonej. 3. GŁÓWNE PARAMETRY PRACY UKŁADU ENERGETYCZNEGO Z WĘGLANOWYM OGNIWEM PALIWOWYM Główne parametry pracy ogniwa paliwowego i układu MCFC zależą od bardzo wielu czynników. Z punktu widzenia układu zawierającego ogniwo istotne są następujące parametry pracy ogniwa: stopień utlenienia (wykorzystania paliwa), sprawność generacji energii elektrycznej, ilość i sposób odebranego z ogniwa ciepła oraz sposób przygotowania gazów procesowych (paliwa i utleniacza) przed ich dostarczeniem do ogniwa. Ważnym parametrem także jest skład i temperatura spalin opuszczających ogniwo. Parametry te w sposób jednoznaczny definiują podział mocy produkowanej w samym ogniwie w stosunku do mocy na generatorze turbiny. Z drugiej strony występują pewne cechy charakteryzujące samo ogniwo paliwowe, z których najważniejsza to gęstość prądu generowana z powierzchni ogniwa oraz sama powierzchnia. Istotne jest także odpowiednie połączenie poszczególnych ogniw w stosie od strony przepływu paliwowego. Pojedyncza cela w swoim obliczeniowym punkcie pracy generuje napięcie na poziomie 0,7 V, wobec czego w celu uzyskania praktycznych wielkości napięcia, ogniwa łączone są szeregowo, chodź spotyka się także takie sytuacje, w których ogniwa są łączone wyłącznie równolegle. Rozwiązanie takie ma zalety eksploatacyjne, w przypadku awarii jednej celi napięcie wyjściowe nie ulega znaczącym zmianom. Poza zagadnieniami elektrycznymi, ogniwa także można łączyć na różne sposoby od strony przepływających gazów. Najbardziej popularnym sposobem jest tutaj łączenie równoległe, tj. każda cela ogniwa zasilana jest gazami o jednakowych składach. Tutaj także decydują względy praktyczne, bo przy takim połączeniu wszystkie ogniwa pracują przy jednakowych warunkach dając takie samo napięcie. Jednakże nie jest to rozwiązanie optymalne energetycznie, gdyby cele były połączone szeregowo od strony przepływu paliwowego, paliwo przepływałoby przez poszczególne cele kolejno, to ogniwa znajdujące się na początku dawałyby wyraźnie wyższe napięcia i sumarycznie wyższą sprawność. Ogniwo paliwowe oddziałuje z układem energetycznym głównie poprzez strumienie czynników do niego dostarczanych i odbieranych. Ogniwo posiada pewne ograniczenia co do swojej natury i część z nich musi być uwzględniona przez inne elementy składające się na cały układ. Określenie wszystkich parametrów bardzo zależy od konkretnego układu.

9 3.1. Główne parametry ogniwa MCFC istotne z punktu widzenia układu energetycznego Istotne jest otoczenie ogniwa, tzn. układ energetyczny, w którym ogniwo to będzie pracowało. Możliwości jest wiele. Najprostszym możliwym przypadkiem jest układ, gdzie odbierana od ogniwa jest tylko energia elektryczna. Bardziej zaawansowany jest układ kogeneracyjny, gdzie oprócz energii elektrycznej odbierane jest od ogniwa ciepło. Najbardziej skomplikowane układy to np. układ hybrydowy łączący ogniwo paliwowe z turbiną parową bądź gazową. Im bardziej skomplikowany jest układ, tym więcej ograniczeń należy wprowadzić. Parametry mające wpływ na pracę ogniwa to: temperatura pracy ogniwa C, stopień recyrkulacji gazów anodowych - od 25 do 85%, stopień utylizacji paliwa - od 40 do 90%, moc układu, udział mocy ogniwa w mocy całego układu, napięcie ogniwa, temperatura spalin opuszczających układ, gęstość prądu. Biorąc pod uwagę jeszcze układ z węglanowym ogniwem paliwowym do separacji CO 2 ze spalin, istotnym parametrem będzie również stopień redukcji emisji CO Główne parametry ogniwa MCFC istotne z punktu widzenia ogniwa włączonego w układ Poniżej przedstawiono parametry pracy ogniwa paliwowego istotne z punktu widzenia samego ogniwa włączonego w układ energetyczny: opór właściwy elektrolitu, grubość matrycy zawierającej elektrolit, przewodność jonowa elektrolitu, ciśnienie cząstkowe tlenu, ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla, stopień utylizacji paliwa, gęstość maksymalna prądu, wydatek jonów węglanowych przechodzących ze strony katody do anody CO 2, opór elektryczny ogniwa,

10 powierzchnia czynna ogniwa, napięcie maksymalne, temperatura pracy ogniwa, ilość podawanego paliwa. 4. ANALIZA PARAMETRÓW PRACY UKŁADU ENERGETYCZNEGO Z WĘGLANOWYM OGNIWEM PALIWOWYM Z przedstawionego przeglądu można wytypować główne parametry, które są uniwersalne dla każdego układu energetycznego współpracującego z ogniwem. Zostały wytypowane następujące parametry istotne z punktu widzenia układu energetycznego: ilość paliwa jakie zostało utlenione w procesach elektrochemicznych zachodzących w ogniwie (zarówno całkowita jak i procentowa), temperatura pracy ogniwa, ciśnienie pracy i straty ciśnienia, sprawność ogniwa, moc ogniwa Ilość paliwa utlenionego w ogniwie Ogniwo paliwowe typu MCFC nie spala całego dostarczonego do niego paliwa, co jest związane z jego specyfiką pracy zbyt niska ilość cząstek palnych na wylocie z ogniwa powoduje gwałtowny spadek jego napięcia i co za tym idzie sprawności. Parametr który określa procentową ilość utlenionego w ogniwie paliwa to stopień utylizacji paliwa (η f, ang. fuel utilization factor). Wartości tego parametru zawierają się w graniach 40 90%. Związki palne pozostałe w strumieniu wylotowym ogniwa, istotnie wpływają zarówno na pracę całego układu energetycznego jak również jego strukturę. Wymagane jest dodatkowe urządzenie (komora dopalająca), której obecność musi być w układzie precyzyjnie określona i może mieć na układ różny wpływ, np. wzrost temperatury w niektórych punkach układu. W przypadku ogniw typu MCFC, najczęściej komora dopalająca jest umieszczona przed ogniwem, ponieważ do strumienia katodowego należy poza tlenem podawać także dwutlenek węgla i jest to realizowane poprzez recyrkulację strumienia wylotowego z anody na wlot do katody.

11 4.2. Temperatura pracy ogniwa W ogniwach paliwowych MCFC elektrolitem są ciekłe węglany sodu i potasu. Ich temperatura topnienia wynosi ok. 500 C, a temperatura pracy ogniwa 650 C. Poziom temperatur jakie panują w ogniwie odzwierciedla także temperatury gazów jakie opuszczają ogniwo, co z kolei przekłada się na miejsce ogniwa w układzie energetycznym. W związku ze stosunkowo wysoką temperaturą pracy ogniwo paliwowe jest najczęściej sytuowane w miejscu lub pobliżu komory spalania (może ją nawet w pewnych przypadkach zastępować). Ogniowo paliwowe w pewnym stopniu może być traktowane jako górne źródło ciepła w obiegach cieplnych tworząc w ten sposób układ binarny (podobnie do układów gazowoparowych). W takim przypadku należałoby od tego elementu oczekiwać możliwie wysokiej temperatury pracy (najlepiej na poziomie osiągalnym dla turbin gazowych: C). Samo ogniwo nie posiada aż tak wysokiej temperatury wobec czego może być wspomagane dodatkową komorą spalania. Temperatura pracy ogniwa determinuje również poziom temperaturowy czynników dostarczanych do niego ich temperatury nie mogą być za niskie. W najprostszym przypadku podgrzanie strumieni dolotowych może być realizowane poprzez wymienniki regeneracyjne zasilana strumieniami wylotowymi z ogniwa. Temperatura pracy ogniwa także bardzo wpływa na jego sprawność i to w sposób bardzo nieliniowy, obniżenie temperatury o 100 C oznacza, iż ogniwo przestaje w ogóle pracować (elektrolit przechodzi w stały stan skupienia) Ciśnienie pracy ogniwa i straty ciśnienia Ogniwa paliwowe MCFC mogą pracować przy różnych ciśnieniach, przy czym sam poziom ciśnienia pracy ma niewielki wpływ na pracę samego ogniwa. Jedynie należy uważać na różnicę ciśnień pomiędzy anodą a katodą, żeby nie wypchnąć ciekłego elektrolitu z matrycy która go utrzymuje. Z punktu widzenia układu energetycznego, poziom ciśnienia przy jakim pracuje ogniwo ma znaczenie zasadnicze jeżeli ogniwo spełnia rolę górnego źródła ciepła, a jego gazy wylotowe zasilają turbinę gazową. Badania laboratoryjne były prowadzone dla ciśnień do 4 bar, w rzeczywistych układach poziom ciśnienia przy jakim pracuje ogniwo zależy od wielu czynników, w tym analizy ekonomiczno-technicznej.

12 4.4. Sprawność ogniwa Układ z MCFC posiada podukład turbiny gazowej, który to ma możliwość podniesienia sprawności i obniżenia sprężu poprzez zastosowanie odpowiednich wymienników ciepła stanowiących regenerację. Układ hybrydowy (ogniwo paliwowe - turbina gazowa MCFC-GT) charakteryzuje się sprawnością ponad 50%. Jest to znacznie wyższa wartość niż sprawność wolnostojącego ogniwa MCFC - ponad 40%. Najwyższą sprawność układ osiąga pracując przy możliwie wysokim stopniu wykorzystania paliwa w stosie. Przyjęto, iż wartością graniczną tego parametru jest 90%. Na sprawność ogniwa paliwowego włączonego w układ energetyczny wpływ mają: ilość podawanego paliwa, prędkość obrotowa turbozespołu oraz prąd pobierany z ogniwa. Istotną kwestią z punktu widzenia pracy ogniwa w układzie energetycznym (hybrydowym) jest balans mocy. Im większa sprawność ogniwa paliwowego, tym większy jest jego udział mocy w mocy całego układu. Przy dużej sprawności ogniwa, a więc i dużym udziale mocy, największy wpływ na moc układu ma ogniwo paliwowe. Reszta układu pełni funkcję pomocniczą. I analogicznie, jeżeli ogniwo ma niską sprawność, a więc niewielki udział mocy, to ogniwo pełni funkcję pomocniczą, a największy wpływ na moc ma turbina Moc ogniwa Sterowanie układem hybrydowym nie daje się sprowadzić wyłącznie do regulacji ilości podawanego paliwa. Pozostaje jeszcze prąd pobierany z ogniwa oraz prędkość obrotowa turbozespołu. Wymienione trzy wielkości charakteryzują punkt pracy układu (między innymi moc). Tę samą moc można uzyskać przy różnych konfiguracjach tych wielkości, co skutkuje różnymi wielkościami sprawności wytwarzania energii elektrycznej. Moc ogniwa paliwowego w układzie hybrydowym zależy więc między innymi od rodzaju turbiny oraz jej parametrów (moc, prędkość obrotowa, itp.). Moc ogniwa paliwowego w układzie energetycznym wpływa znacząco na inne urządzenia. Im większa jest moc ogniwa, tym straty urządzeń pomocniczych są proporcjonalnie mniejsze. Poza tym wraz ze wzrostem mocy można stosować bardziej wydajne urządzenia, np. turbiny i sprężarki promieniowe można zastąpić osiowymi. Moc ogniwa paliwowego wpływa również na rodzaj i wielkość pomp, przekroje rurociągów, wielkość wymienników, itp. 5. PODSUMOWANIE Jak widać z powyższej analizy węglanowe ogniwo paliwowe ma szerokie zastosowanie. Może pracować samodzielnie generując tylko energię elektryczną albo jako element mniej lub bardziej skomplikowanego układu energetycznego. Im bardziej skomplikowany układ, tym więcej ograniczeń należy nałożyć na parametry pracy samego ogniwa paliwowego. Cały czas

13 prowadzone są prace badawcze nad zastosowaniem węglanowych ogniw paliwowych do separacji CO 2 ze spalin, co wydaje się być perspektywicznym rozwiązaniem. Również hybrydowe układy energetyczne z ogniwami MCFC zasilane biopaliwami wkomponowują się w dzisiejszy trend do oszczędzania energii pierwotnej i paliw kopalnych. Nie bez znaczenia jest również fakt możliwości zastosowania układów z węglanowym ogniwem paliwowym w rozproszonych źródłach energii. Rozproszone źródła energii są dzisiaj uważane za perspektywiczne i ograniczające emisję. Brak jest bowiem strat przesyłu, ponieważ energia elektryczna jest wytwarzana bezpośrednio u odbiorcy. Jednoczesne odbieranie ciepła z takich układów (kogeneracja) powoduje dodatkowe korzyści w postaci wzrostu ogólnej sprawności. Podziękowania Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/03/N/ST8/ LITERATURA [1] Amorelli A., M. B. Wilkinson, P. Bedont, P. Capobianco, B. Marcenaro, F. Parodi, and A. Torazza: An experimental investigation into the use of molten carbonate fuel cells to capture CO 2 from gas turbine exhaust gases. Energy, 29(9-10), , 6th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, [2] Badyda K., W. Bujalski, and J. Milewski: District heating, cogeneration and heat accumulation, in PASI 2010 Energy. Water and Global Climate Change as a Regional Agenda of the Americas, [3] Bartela L., and J. Kotowicz: Influence of membrane CO 2 separation process on the effectiveness of supercritical combined heat and power plant. Rynek Energii, 97(6), 12 19, [4] Bartela L., A. Skorek-Osikowska, and J. Kotowicz: Integration of a supercritical coal-fired heat and power plant with carbon capture installation and gas turbine [integracja bloku elektrociepłowni węglowej na parametry nadkrytyczne z instalacją wychwytu dwutlenku węgla oraz turbiną gazową], Rynek Energii, 100(3), 56 62, [5] Chmielniak T., and E. Sopel: Analysis of electricity and heat generation in a pem fuel cell and a concept of evacuation of heat generated in a fuel cell. Archives of Thermodynamics, 29 (3), 3 24, [6] Jurado F., and M. Valverde: Combined molten carbonate fuel cell and gas turbine systems efficient power and heat generation using biomass. Electric Power Systems Research, 65, , 2003.

14 [7] Kotowicz J., and L. Bartela: Optimisation of the connection of membrane ccs installation with a supercritical coal-fired power plant. Energy, 38(1), , [8] Kotowicz J., A. Skorek-Osikowska, and L. Bartela: Economic and environmental evaluation of selected advanced power generation technologies. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 225(3), , [9] Lewandowski J., and J. Milewski: Badania wysokotemperaturowych ogniw paliwowych zasilanych biopaliwami. Projekt badawczy N N , Instytu Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska, [10] Liu A., and YiwuWeng: Performance analysis of a pressurized molten carbonate fuel cell/microgas turbine hybrid system. Journal of Power Sources, 195, , [11] Lunghi P., S. Ubertini, and U. Desideri: Highly efficient electricity generation through a hybrid molten carbonate fuel cell-closed loop gas turbine plant. Energy Conversion and Management, 42, , [12] Lunghi P., R. Bove, and U. Desideri: Analysis and optimization of hybrid MCFC gas turbines plants. Journal of Power Sources, 118, , [13] Milewski J., and K. Badyda: Układy trigeneracyjne oparte na ogniwach paliwowych. Termodynamika w nauce i gospodarce, I, 89 99, [14] Milewski J., J. Lewandowski, and A. Miller: Reducing CO 2 emissions from a coal fired power plant by using a molten carbonate fuel cell, in ASME Turbo EXPO, vol. 2, pp , [15] Milewski J., J. Lewandowski, and A. Miller: Reducing CO 2 emissions from a gas turbine power plant by using a molten carbonate fuel. Chemical and Process Engineering, 29(4), , [16] Milewski J., K. Badyda, Z. Misztal, and M. Wołowicz: Combined heat and power unit based on polymeric electrolyte membrane fuel cell in a hotel application. Rynek Energii, 90(5), , [17] Milewski J., M. Wołowicz, K. Badyda, and Z. Misztal: Operational characteristics of 36kw PEMFC-CHP unit. Rynek Energii, 92(1), , [18] Milewski J., M. Wołowicz, K. Badyda, and Z. Misztal. 36 kw polymer exchange membrane fuel cell as combined heat and power unit. ECS Transactions, 42(1), 75 87, [19] Miller A., and S. Kiryk: Perspektywiczne technologie wodorowe w energetyce. Program badawczy WE-NET. Gospodarka Paliwami i Energią, 12, [20] Morita H., F. Yoshiba, N. Woudstra, K. Hemmes, and H. Spliethoff: Feasibility study of wood biomass gasification/molten carbonate fuel cell power system comparative characterization of fuel cell and gas turbine systems. Journal of Power Sources, 138, 31 40, 2004.

15 [21] Oh K. S., and T. S. Kim: Performance analysis on various system layouts for the combination of an ambient pressure molten carbonate fuel cell and a gas turbine. Journal of Power Sources, 158, , [22] Sałacinski J.: Dobór parametrów projektowych układów hybrydowych z ogniwem typu MCFC. Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, [23] Wee J.-H.: Molten carbonate fuel cell and gas turbine hybrid systems as distributed energy resources. Applied Energy, 88, , ANALYSIS AND COMPARISON HYBRID SYSTEMS OF MOLTEN CARBONATE FUEL CELL Key words: molten carbonate fuel cells, hybrid systems Summary. The article presents an analysis and comparison of molten carbonate fuel cell hybrid systems. Discusses the different configurations of such systems starting from the simplest, ie. independently working fuel cell and ending with the hybrid systems containing gas, steam and air turbine. It also discusses the main parameters of the energy systems containing molten carbonate fuel cell relevant to the location of the fuel cell in such system. Main parameters that are universal for all the systems are presented and described. These are: the amount of fuel that has been oxidized in the electrochemical processes occurring in the fuel cell (both total and percentage), the fuel cell operating temperature, operating pressure and pressure loss, cell efficiency, power of the fuel cell. Marcin Wołowicz, doktor nauk technicznych, pracownik Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. Autor i współautor kilkunastu publikacji z zakresu energetyki konwencjonalnej i jądrowej, ogniw paliwowych oraz odnawialnych źródeł energii. marcin.wolowicz@itc.pw.edu.pl. Jarosław Milewski, doktor nauk technicznych, wykładowca na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. Autor i współautor ponad 100 publikacji i 3 patentów. Główne aspekty jego działalności naukowej to zagadnienia modelowania matematycznego urządzeń energetycznych zarówno tych klasycznych jak i uznawanych za przyszłościowe (np. ogniw paliwowych). milewski@itc.pw.edu.pl. Krzysztof Badyda, prof. dr hab. inż., wykładowca na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa, zastępca dyrektora Instytutu Techniki Cieplnej do spraw naukowych, autor wielu prac z obszaru matematycznego modelowania instalacji energetycznych, problematyki ograniczania emisji w instalacjach energetycznych, poprawy ekonomiki pracy elektrowni i elektrociepłowni oraz analiz awarii w instalacjach energetycznych. krzysztof.badyda@itc.pw.edu.pl