Józef PASKA, Mariusz KŁOS Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki, Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej Ogniwa paliwowe przyszłością wytwarzania energii elektrycznej i ciepła? Streszczenie. Ogniwa paliwowe są bezpośrednimi przetwornikami energii chemicznej paliwa na energię elektryczną i ciepło. W ostatnich latach obserwuje się dynamiczny rozwój tej technologii. Są z nią również wiązane duże nadzieje, jeśli chodzi o wykorzystanie w elektroenergetyce, do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. W artykule omówiono problematykę pozyskiwania, magazynowania i transportu wodoru, dokonano też przeglądu podstawowych typów ogniw paliwowych, ich charakterystyk i ograniczeń. Przedstawiono stosowane rozwiązania i podjęto próbę odpowiedzi na tytułowe pytanie artykułu. Abstract. The fuel cells are electrochemical devices which convert chemical energy of a fuel directly into electrical energy and heat. In last years dynamic development of fuel cell technology is observed. The fuel cells are probably the best future technology for electric power and heat production. The paper describes issues of hydrogen production, storage and transportation as well as different fuel cell technologies, some application areas in energy industry and barriers for fuel cell use. Authors tried to answer title question of article. (Are fuel cells the future of electricity and heat generation?) Słowa kluczowe: energetyka wodorowa, ogniwa paliwowe, generacja rozproszona, kogeneracja, układy hybrydowe ogniwo paliwowe - turbina gazowa Key words: hydrogen energy industry, fuel cells, distributed generation, cogeneration, hybrid fuel cell gas turbine power systems Wstęp Obecnie rozwój różnego typu ogniw paliwowych przebiega w bardzo dynamiczny sposób. Ogniwa paliwowe, wykorzystujące jako paliwo wodór, są dziś postrzegane jako przyszłościowe źródło energii, dzięki któremu będzie można rozwiązać większość problemów z jakimi obecnie boryka się energetyka globalna. Podstawowymi przesłankami przemawiającymi za masowym (szerokim) wykorzystaniem tej technologii jest możliwość znacznego ograniczenia emisji zanieczyszczeń i dywersyfikacja pierwotnych nośników energii. Technologia ogniw paliwowych cieszy się ogromnym zainteresowaniem w wielu sektorach przemysłu. Z punktu widzenia zastosowania, można je podzielić na trzy grupy. Pierwszą grupę stanowią ogniwa, które znalazły zastosowanie w układach napędowych, głównie dla przemysłu motoryzacyjnego (przede wszystkim ogniwo PEMFC). Również transport lotniczy i morski, a nawet kolejowy, jest zainteresowany zastosowaniem ogniw paliwowych w układach napędowych. Do drugiej grupy należą ogniwa, które znalazły zastosowanie jako źródło energii dla urządzeń przenośnych, takich jak: telefony komórkowe, laptopy, kamery cyfrowe, przenośne aplikacje wojskowe, małe przenośne generatory do 1 kw (przede wszystkim ogniwa DMFC zasilane bezpośrednio metanolem oraz ogniwa PEMFC). Najważniejszą z punktu widzenia sektora wytwórczego (energetyki zawodowej) jest trzecia grupa ogniw, które znalazły zastosowanie w dużych systemach stacjonarnych (generacja rozproszona) o mocach od kilkudziesięciu kw do pojedynczych MW (ogniwa wysokotemperaturowe MCFC i SOFC) [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Trudno jest dziś wyrokować, czy ogniwa paliwowe będą w stanie zastąpić w przyszłości konwencjonalne źródła energii. Na obecnym etapie rozwoju jest jeszcze szereg problemów technicznych i związanych z dopracowywaniem tej technologii barier finansowych. Artykuł porusza zagadnienia techniczne związane z technologią ogniw paliwowych i wykorzystania wodoru jako przyszłościowego nośnika energii. Sposoby pozyskiwania wodoru Wodór jest nośnikiem energii, który nie występuje w czystej postaci. W przyrodzie występuje tylko w kombinacji z innymi pierwiastkami (z tlenem w wodzie, z węglem i tlenem w związkach organicznych zawartych w paliwach kopalnych). Produkcja wodoru polega więc na wytrąceniu go z tych związków kosztem energii dostarczonej z zewnątrz. Można wodór zatem pozyskiwać z paliw kopalnych, biomasy, wody; w trakcie zachodzenia różnych procesów elektro-termo-chemicznych. Na rysunku 1 przedstawiono zestawienie znanych sposobów pozyskiwania wodoru [7, 8]. Gaz ziemny Pochodne ropy naftowej Węgiel Energia elektryczna (konwencjonalna i odnawialna) Biomasa Energia cieplna z konwersji fototermicznej lub reakcji jądrowej REFORMING UTLENIANIE CZĘŚCIOWE GAZYFIKACJA ELEKTROLIZA WODY GAZYFIKACJA FOTO-SYNTEZA PROCESY TERMOCHEMICZNE Rys. 1. Sposoby produkcji wodoru H 2 W chwili obecnej wodór jest prawie w całości produkowany ze związków organicznych (paliw kopalnych: gazu ziemnego ok. 48%, ropy i węgla ok. 30% oraz innych węglowodorów). Z ekonomicznego punktu widzenia, jak dotąd optymalnym sposobem pozyskiwania wodoru jest reforming parowy gazu ziemnego (również gaz LPG i nafta mogą być użyte w tym procesie). Jest to technologia wykorzystywana na skalę przemysłową. Dla dużych instalacji przemysłowych typowa wielkość produkcji wynosi od 100 do 250 tyś. Nm 3 /h przy sprawności ok. 80%. Do produkcji wodoru z węglowodorów o silniejszych wiązaniach stosuje się reforming termiczny oraz częściowe utlenianie (ze sprawnością 75%). Opracowywane są również nowe technologie produkcji wodoru ze związków węglowodorowych, takie jak np.: cieplny lub katalityczny kraking metanu (rozpad na wodór i węgiel bez emisji CO 2 ). PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010 93
Prowadzone są również prace nad wykorzystaniem energii słonecznej (technologia fototermiczna) do produkcji pary na potrzeby reformingu parowego [2, 7]. Innym sposobem produkcji wodoru jest gazyfikacja węgla (18% światowej produkcji wodoru) w generatorach gazu (gazyfikatorach). Wykorzystywane są trzy rodzaje gazyfikatorów: ze złożem stałym, ze złożem fluidalnym i złożem przepływowym. Sprawność tej technologii wynosi ok. 65%. W układach kombinowanych z wychwytem i magazynowaniem CO 2 sprawność jest mniejsza o ok. 3 6%. Gazyfikacja węgla wraz z wychwytem CO 2 może być wykorzystana w niedalekiej przyszłości do proekologicznej koprodukcji energii elektrycznej i wodoru. Pomimo, że zarówno reforming parowy gazu ziemnego, jak i gazyfikacja węgla są technologiami dojrzałymi, nadal są prowadzone prace nad ich usprawnieniem. Koszty produkcji wodoru przy zastosowaniu gazyfikacji węgla są wyższe (częściowo rekompensowane mniejszą ceną węgla w stosunku do gazu ziemnego) w porównaniu z reformingiem parowym gazu ziemnego. Jest to wynikiem bardziej zaawansowanej technologii i, co za tym idzie, wyższych nakładów inwestycyjnych. W przyszłości przewiduje się zrównanie tych technologii pod względem kosztów dzięki znacznemu usprawnieniu procesu gazyfikacji węgla, korzystniejszym (na rzecz węgla) scenariuszom wzrostu cen paliw oraz potencjalnemu, szerszemu obszarowi zastosowań technologii węglowych [2, 7]. Produkcja wodoru w procesie elektrolizy wody (w praktyce wodnych roztworów odpowiednich elektrolitów), gdzie woda pod wpływem energii elektrycznej rozkłada się na wodór i tlen stanowi kilka procent (ok. 4%). Wykorzystuje się ją do produkcji wodoru o wysokiej klasie czystości. Tak jak w przypadku innych technologii również ta jest zróżnicowana i ciągle rozwijana. Można rozróżnić dwa typy obecnie stosowanych elektrolizerów: alkaliczne - wykorzystujące wodny roztwór wodorotlenku potasu (KOH) i ze stałymi polimerami, w których elektrolitem jest membrana polimerowa (taka sama jak stosowana w polimerowych ogniwach paliwowych). W tabeli 1 przedstawiono zestawienie obecnie stosowanych lub rozwijanych technologii elektrolizerów [7]. Tabela 1. Obecnie stosowane i rozwijane technologie elektrolizerów Technologia Poziom Temperatura Ciśnienie Energochłonność Elektrolit zaawansowania pracy [ C] [bar] [kwh/nm 3 H 2 ] Alkaliczne Tradycyjne Komercyjny; duże instalacje 25 35% KOH 70 90 1 2 4 5 Zaawansowane Prototypy; komercyjny (małe jednostki) 25 40% KOH 80 145 Do 120 Ok. 4 Z membraną nieorganiczną Komercyjny (małe jednostki) 15% KOH 90 120 Do 40 Ok. 5 Ze stałym polimerem Prototypy; komercyjny (małe Nafion 80 150 Do 400 Ok. 4 jednostki) Wysoko-temperaturowe Badania laboratoryjne Y 2 O 3 +ZrO 2 900 1000 Do 30 2,5 3,5 Elektrolizery alkaiczne pracują obecnie ze sprawnością 40 60%. Prowadzone tu badania rozwojowe dotyczą poprawy sprawności i wydłużenia czasu eksploatacji, co przełoży się na redukcję kosztów (obecnie 800 1500 /kw). Duże nadzieje na usprawnienie technologii alkalicznych pokłada się w zaawansowanych elektrolizerach pracujących z wyższą temperaturą i ciśnieniem w stosunku do elektrolizerów tradycyjnych. Elektrolizery ze stałymi polimerami charakteryzują się dużą gęstością prądu i brakiem substancji agresywnych (żrących), co należy do ich zalet. Niestety membrany polimerowe, wykorzystywane jako elektrolit, charakteryzują się stosunkowo krótkim czasem eksploatacji. Jak widać produkcja wodoru przy wykorzystaniu elektrolizy jest zależna od energii elektrycznej produkowanej w sposób konwencjonalny. Chcąc uniezależnić produkcję wodoru od paliw kopalnych należałoby wykorzystać do produkcji wodoru energię elektryczną ze źródeł odnawialnych. Sprzężenie tych technologii jest celem przewodnim wielu obecnie realizowanych projektów badawczych. Przyszłościowym kierunkiem rozwoju mogą stać się elektrolizery wysoko-temperaturowe. Technologia jest zbliżona do technologii ogniw wysokotemperaturowych ze stałymi tlenkami (ang. Solid Oxide Fuel Cells) a ciepło potrzebne do zainicjowania reakcji (800 1000 C) może być dostarczone z instalacji słonecznych bądź jądrowych [7]. Wodór może być produkowany również z biomasy przy wykorzystaniu różnych procesów termochemicznych i biologicznych. Najbardziej rozpowszechnionych sposobem produkcji wodoru z biomasy jest jej gazyfikacja. Jest to proces zbliżony do gazyfikacji węgla. Jako paliwa można tu używać wielu rodzajów odpadów biodegradowalnych (zrębki drewna, odpady komunalne itp.). Istnieją już instalacje pilotażowe. Jest to technologią będąca na etapie rozwoju i ciągle usprawniana. Dużym ograniczeniem są tu problemy logistyczne z pozyskiwaniem biomasy. Do najbardziej obiecujących biologicznych technologii przetwarzania biomasy w celu produkcji wodoru należy fermentacja beztlenowa. Obecnie są prowadzone badania laboratoryjne nad tymi procesami. Zakłada się, że dzięki tej technologii będzie możliwe uzyskanie ok. 10 20 m 3 wodoru z 20 100 kg biomasy. Prowadzone są badania nad możliwością wyodrębnienia wodoru w wysokotemperaturowych procesach (cyklach) chemicznych bez udziału energii elektrycznej. Przeanalizowano (w większości przypadków teoretycznie) ponad 200 procesów chemicznych zachodzących pod wpływem wysokiej temperatury (dochodzącej w niektórych procesach do 2000 C), w wyniku których można otrzymać wodór. Najbardziej obiecującym wydaje się cykl siarkowo jodynowy. Zakłada się, że również tu potrzebne ciepło mogłoby pochodzić z instalacji słonecznych lub jądrowych [7]. Do najbardziej nowatorskich sposobów produkcji wodoru należą procesy foto-elektro-chemiczne, gdzie używa się półprzewodników zanurzonych w wodnym roztworze do bezpośredniej zamiany energii słonecznej w energię chemiczną. W warunkach laboratoryjnych uzyskano 16% sprawność tego procesu. Innym nowatorskim sposobem jest wykorzystanie bakterii fotosyntetycznych prowadzących proces fotofermentacji [2, 7]. W tabeli 2 przedstawiono zestawienie podsumowujące technologie do produkcji wodoru [7]. Magazynowanie wodoru Wodór jest najlżejszym ze wszystkich gazów. W porównaniu z ciekłymi paliwami kopalnymi charakteryzuje się najmniejszą gęstością, zarówno w stanie ciekłym, jak i gazowym. Bardzo mała gęstość gazowego wodoru powoduje bardzo małą objętościową gęstość uzyskiwanej energii. Chcąc otrzymać taką samą ilość energii, w porównaniu z paliwami ciekłymi. potrzeba o wiele większej objętości wodoru (zbiornika o większej objętości). Istnieją sposoby przechowywania wodoru zwiększające 94 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010
objętościową gęstość energii tego gazu. Obecnie wodór magazynuje się w zbiornikach ciśnieniowych lub w formie ciekłej (wodór skroplony). Cząsteczki wodoru ze względu na swój rozmiar mają tendencję do przenikania przez większość materiałów, szczególnie pod zwiększonym ciśnieniem. Powoduje to potrzebę zastosowania technologicznie zaawansowanych materiałów przy konstruowaniu butli przeznaczonych do magazynowania wodoru pod wysokim ciśnieniem. Do przechowywania sprężonego wodoru są wykorzystywane zbiorniki: stalowe, kompozytowe z aluminiowym rdzeniem, kompozytowe z polimerowym rdzeniem. Do najwyższych ciśnień są stosowane zbiorniki z włókien węglowych. Przechowywanie wodoru w postaci gazowej przy obecnej technologii pozwala na sprężenie gazu do 35 MPa. Tabela 2. Zestawienie podsumowujące technologie do produkcji wodoru Reforming parowy gazu ziemnego Technologia bez CCS Poziom zaawansowania Instalacja przemysłowa Poziom emisji CO 2 Możliwy poziom produkcji dziś wysoki S 5 9 /GJ (GZ 3 6 /GJ) (20 250 tyś. Nm 3 /h) R 19 22 /GJ (<20 tyś. Nm 3 /h) Koszt produkcji w przyszłości 21 25 /GJ (GZ 6 /GJ) (2020) z CCS* prototyp niski S 12 /GJ (2020) Gazyfikacja węgla bez CCS Instalacja przemysłowa wysoki S 8 10 /GJ (węgiel 1,5 2 /GJ) z CCS* prototyp niski S 10 12 /GJ (węgiel 2 /GJ) (2020) Gazyfikacja biomasy Instalacje niski R, S 10 25 /GJ 10 20 /GJ (2020) pilotażowe Biotechnologie (fotosynteza) Badania niski S laboratoryjne Elektroliza z użyciem energii elektrycznej produkowanej w sposób konwencjonalny Instalacje komercyjne 15 30 /GJ (en. el. 0,03 /kwh) (2030) Procesy termochemiczne Ciepło z instalacji słonecznych Ciepło z instalacji jądrowych Badania teoretyczne Emisja CO 2 na etapie produkcji energii elektrycznej R, S 25 /GJ (en. el. 0,025 /kwh) 200 /GJ (en. el. 0,2 /kwh) zero S 20 30 /GJ (2030) * - z instalacją do wychwytu i magazynowania CO 2 (CCS), S scentralizowany, R rozproszony, GZ gaz ziemny 10 20 /GJ (2030) Przechowywanie wodoru w postaci ciekłej pozwala na uzyskanie bardzo dużej gęstości (ok. 70 kg/m 3 ). Skroplony wodór przechowuje się w temperaturze 20,4 K pod ciśnieniem atmosferycznym w specjalnych, dobrze izolowanych zbiornikach kriogenicznych. Przechowywanie wodoru w zbiornikach kriogenicznych jest obarczone stratami spowodowanymi parowaniem (kilka procent dziennie). Proces skraplania wodoru jest kosztowny, przez co nie jest to powszechnie stosowana metoda magazynowania tego gazu. Przyszłościowym sposobem magazynowania wodoru jest wykorzystanie technologii wodorków metali i nanorurek węglowych. Wszystkie wymienione sposoby magazynowania posiadają zalety ale mają również ograniczenia. Chcąc uchodzić za technologie dojrzałe wymagają jeszcze wielu usprawnień. Ideałem byłaby technologia charakteryzująca się dużą gęstością, dużą gęstością mocy, wysoką sprawnością (małymi ubytkami gazu w długim okresie magazynowania dotyczy zbiorników z ciekłym wodorem), długim czasem eksploatacji, pomijalnym wpływem na środowisko naturalne (zarówno w fazie produkcji, eksploatacji, jak i utylizacji), bezpiecznym i szybkim tankowaniem i oczywiście niskimi kosztami [2, 7, 8]. Transport i dystrybucja wodoru Traktowanie wodoru jako przyszłościowego i dojrzałego nośnika energii wymaga, poza technologiami wytwórczymi i sposobami magazynowania, opracowania infrastruktury do bezpiecznego transportu i dystrybucji tego paliwa. Obecnie wodór można nabyć w postaci gazu sprężonego lub w formie ciekłej. Wodór sprężony może być przesyłany gazociągami o ciśnieniu roboczym od 10 do 20 barów bądź za pomocą transportu kołowego (na stosunkowo małe odległości i przy małych ilościach wodoru). Stosunkowo krótkie odcinki gazociągów do przesyłania wodoru istnieją już w USA (ok. 700 km) i Europie (ok. 1600 km) Rozważa się również wykorzystanie istniejących gazociągów do przesyłania mieszanki gazu ziemnego i wodoru. Transport wodoru w postaci płynnej (wodór schłodzony do temp. poniżej -253 C) jest obecnie realizowany, przy użyciu ciężarówek, w specjalnych zbiornikach kriogenicznych. Jak widać początkowo transport wodoru będzie zdominowany przez transport kołowy ale docelowo optymalny z ekonomicznego punktu widzenia, i to pomimo olbrzymich nakładów inwestycyjnych, będzie transport gazociągami. Ocenia się, że koszty transportu ponoszone przez użytkownika końcowego (dla scentralizowanej generacji wodoru) będą wynosić 5 10 /GJ. Kolejnym wyzwaniem wydaje się stworzenie sieci stacji dystrybucyjnych umożliwiających dystrybucję wodoru na potrzeby użytkownika końcowego (w szczególności dla sektora motoryzacyjnego). Na całym świecie istnieje ponad 200 wodorowych stacji dystrybucyjnych powstałych w ramach prowadzonych projektów badawczych [2, 7, 9]. Ogniwa paliwowe przegląd technologii Urządzeniami, które najefektywniej mogą konwertować energię chemiczną wodoru na inne rodzaje energii są ogniwa paliwowe. Zasadę działania odkrył walijski sędzia sir William Grove w 1839 r. Komercjalizacja tej technologii przebiegała bardzo powoli. Pierwsze alkaliczne ogniwa paliwowe (ang. Alkaline Fuel Cells) pojawiły się w latach sześćdziesiątych XX wieku i były rozwijane w Stanach PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010 95
Zjednoczonych na potrzeby NASA. W dalszej części artykułu zostanie opisana technologia ogniw paliwowych i możliwości jej wykorzystania w sektorze energetycznym. W ogniwach paliwowych zachodzi bezpośrednia konwersja energii chemicznej paliwa w energię elektryczną, co jest ich istotną zaletą. Na rysunku 2 przedstawiono porównanie przemian energetycznych zachodzących w konwencjonalnej elektrowni węglowej i ogniwie paliwowym [2, 10]. Sprawność tej konwersji nie podlega ograniczeniom wynikającym z teorii silników cieplnych. Istnieje więc potencjalna możliwość uzyskiwania sprawności wyższej, niż to ma miejsce w konwencjonalnym cyklu wytwarzania energii elektrycznej. Zasada działania wszystkich ogniw paliwowych jest podobna, pomimo że opracowano wiele typów ogniw charakteryzujących się znacznym zróżnicowaniem parametrów eksploatacyjnych w zależności od rodzaju zastosowanego paliwa, elektrolitu i temperatury pracy (80 1000 C), a tym samym różnymi możliwościami ich wykorzystania. Prowadzone są badania naukowe, których celem jest udoskonalenie technologii ogniw paliwowych. Do głównych obszarów badań należą: poszukiwanie nowych katalizatorów mogących zastąpić platynę, optymalizacja procesów elektrochemicznych, zwiększenie czasu eksploatacji ogniw, współpraca z odnawialnymi źródłami energii, ogniwa rewersyjne. Rys. 2. Przemiany energetyczne w elektrowni konwencjonalnej i ogniwie paliwowym W tabeli 3 zastawiono podstawowe rodzaje obecnie dostępnych ogniw paliwowych [1, 2, 3, 4, 10, 11]. Tabela 3. Podstawowe rodzaje obecnie dostępnych ogniw paliwowych Ogniwo paliwowe Ogniwo paliwowe Ogniwo paliwowe z zestalonym ze stopionymi Typ ogniwa z kwasem fosforowym elektrolitem węglanami (Moltencarbonate fuel cell - paliwowego (Phosphoric-acid fuel tlenkowym (Solidoxide fuel cell - SOFC) cell - PAFC) MCFC) Elektrolit Nieporowaty stały tlenek metalu, najczęściej cyrkonu (ZrO 2 ) stabilizowany tlenkiem itru (Y 2 O 3 ) Mieszanina węglanów alkaicznych (Li, K, Na) Stężony kwas fosforowy (H 3 PO 4 ) Alkaliczne ogniwo paliwowe (Alkaline fuel cell - AFC) Roztwór wodorotlenku potasu (KOH) Ogniwo z membraną polimerową (Polymer electrolyte membrane fuel cell - PEMFC) Membrana polimerowa Temperatura pracy 1000 C 650 C 160 220 C 80 120 C 80 140 C Nośnik ładunku Jony tlenu Jony węglanu Jony wodoru Jony wodorotlenku Jony wodoru Paliwo Gaz ziemny, biogaz. Gaz ziemny, metanol, Czysty wodór, gaz Wodór, hydrazyna Wodór Paliwo poddane reformingowi wewnętrznemu lub zewnętrznemu. biogaz. Paliwo poddane reformingowi wewnętrznemu lub zewnętrznemu. ziemny, metanol, biogaz. Paliwo poddane reformingowi zewnętrznemu N 2 H 4, metan Katalizator Metatynian wapnia Nikiel Platyna Platyna Platyna Sprawność > 60% > 60% 40 50% 40 50% 40 50% Moc istniejących instalacji 1 250 kw 50 kw do 3 MW do 10 MW 5 100 kw do 250 kw Zastosowanie Zalety Generacja rozproszona. Kogeneracja. Wysoka temp. umożliwiająca pracę w kogeneracji Generacja rozproszona. Kogeneracja Wysoka temp. umożliwiająca pracę w kogeneracji Wady Długi czas rozruchu Stosunkowo szybka degradacja elementów wynikająca z właściwości korodujących elektrolitu. Długi czas rozruchu. Generacja rozproszona. Kogeneracja. Wysoka sprawność w kogeneracji Drogi katalizator. Elektrolit o właściwościach silnie korodujących. Zasilacze przenośne. Transport. Instalacje kosmiczne i wojskowe. Duża gęstość energii Drogi katalizator. Wrażliwość na CO i CO 2. Transport. UPS-y. Zasilacze przenośne. Niska temp. pracy. Krótki czas rozruchu. Duża gęstość energii. Brak materiałów korodujących. Drogi katalizator Ogólnie rzecz ujmując ogniwo paliwowe (jedna cela) jest zbudowane z dwóch elektrod, anody i katody, odseparowanych od siebie elektrolitem, który przepuszcza jony, ale blokuje przepływ elektronów. W trakcie utleniania są uwalniane elektrony, tworząc jony dodatnie. Elektrony płyną przez obwód zewnętrzny, jony zaś dyfundują przez elektrolit. Na katodzie elektrony rekombinują z jonami i w reakcji z pobieranym z otoczenia tlenem powstaje woda, która jest produktem ubocznym. W ten sposób ogniwo paliwowe generuje prąd elektryczny. Pojedyncza cela wytwarza przeważnie ok. 0,6 0,7 V i prąd na poziomie 300 800 ma/cm 2. Do podstawowych wad ogniw paliwowych należy ustępliwa charakterystyka prądowo napięciowa, przez co są one urządzeniami nieprzeciążalnymi. Aplikacje energetyczne są zbudowane z wielu szeregowo połączonych cel tworzących tzw. stos. 96 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010
Na rysunku 3 przedstawiono poglądowy schemat elektryczny ogniwa paliwowego wraz z reakcjami chemicznymi zachodzącymi na elektrodach ogniw różnego rodzaju [2]. Jak widać nośnikami ładunku nie zawsze są jony wodoru. W przypadku ogniw wysokotemperaturowych SOFC i MCFC są to odpowiednio jony tlenu i węglanu. Ogniwa paliwowe wszystkich typów charakteryzują się stosunkowo słabą tolerancją na związki siarki. Wobec tego, paliwo dostarczane do ogniwa powinno być odsiarczone. W tabeli 4 zestawiono związki chemiczne stosowane jako paliwa dla różnych ogniw paliwowych [2]. Ze względu na porowatość elektrod nie powinno się do ogniwa dostarczać paliwa zanieczyszczonego substancjami stałymi. Rys. 3. Poglądowy schemat elektryczny ogniwa paliwowego i reakcje chemiczne zachodzące na elektrodach Tabela 4. Związki chemiczne stosowane jako paliwa dla różnych ogniw paliwowych Związki chemiczne PEMFC AFC PAFC MCF SOFC H 2 Paliwo Paliwo Paliwo Paliwo Paliwo CO Trucizna Trucizna Trucizna Paliwo Paliwo CH 4 Neutralny Trucizna Neutralny Neutralny Paliwo CO 2 Neutralny Trucizna Neutralny Neutralny Neutralny N 2 Neutralny Neutralny Neutralny Neutralny Neutralny S (H 2 S i COS) Trucizna Trucizna Trucizna Trucizna Trucizna NH 3 Trucizna Obojętny Trucizna Paliwo Brak danych Perspektywy wykorzystania ogniw paliwowych w energetyce zawodowej Ogniwa paliwowe typu PAFC, MCFC i SOFC należą do grupy ogniw, które dzięki swoim właściwościom mogą zrewolucjonizować globalny sektor energetyczny stając się kluczową technologią do produkcji energii elektrycznej i ciepła w przyszłości. Układy takie mają wiele zalet, w tym znaczne zmniejszenie emisji szkodliwych substancji, a szczególnie dwutlenku węgla, przy bardzo wysokiej sprawności. Wysoka temperatura pracy tych ogniw (dla ogniw MCFC i SOFC jest to odpowiednio 650 i ok. 1000 C) daje możliwość pracy w kogeneracji. Możliwa jest również budowa hybrydowych układów wytwórczych, w których ciepło odpadowe z wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego jest wykorzystane do generacji dodatkowej energii w turbinie gazowej a następnie energii elektrycznej (poprzez sprzężenie jej z generatorem). Dzięki tym zabiegom możemy uzyskać sprawność całego procesu nawet na poziomie 75 90%. Do zalet należy również zróżnicowanie paliw możliwych do zastosowania (patrz tabela 3). Na rysunku 4 przedstawiono przykładowy schemat układu hybrydowego z ogniwem MCFC i turbiną gazową [11, 12, 13, 14]. W układach z ogniwami paliwowymi MCFC występuje konieczność dostarczania do katody mieszaniny tlenu i dwutlenku węgla, co jest najczęściej realizowane poprzez umiejscowienie komory spalania przed ogniwem. Wobec tego turbina gazowa pracuje bezpośrednio na spalinach z ogniwa bez możliwości podniesienia temperatury spalin w komorze spalania. W związku z tym, maksymalna temperatura pracy ogniwa jest jednocześnie maksymalną temperaturą gazów dostarczanych do turbiny. Daje to dosyć niskie wartości tej temperatury (rzędu 650 C) w porównaniu z możliwościami turbin gazowych (gdzie temperatura spalin może dochodzić nawet do 1500 C). Paliwo węglowodorowe (w tym przypadku metan) jest mieszane z parą wodną w celu uniknięcia odkładania się węgla w postaci stałej na elektrodach ogniwa. Para wodna może być dostarczana z zewnątrz lub poprzez recyrkulację części gazów anodowych, tak jak pokazano na rys. 4. Recyrkulacja części gazów anodowych posiada wiele zalet, z których należy wymienić: wyższą temperaturę dostarczanej mieszanki paliwowo-parowej, brak konieczności dostarczania wody z zewnątrz oraz swoistego rodzaju regenerację chemiczną (w wyniku reakcji reformingu parowego metanu część ciepła zostaje zamieniona w paliwo wodór). Stosunkowo wysoka temperatura gazów opuszczających układ umożliwia wstępne podgrzanie, zarówno sprężonego powietrza, jak i paliwa za pomocą wymienników regeneracyjnych, co dodatkowo wpływa na wzrost sprawności całego układu. Generowany przez ogniwo stały prąd elektryczny jest poddawany konwersji na prąd przemienny w przetworniku DC/AC [11]. Tego typu układy charakteryzują się wysoką sprawnością, wynoszącą ponad 50% [11, 14]. Rys. 4. Schemat ideowy układu hybrydowego ogniwo paliwowe MCFC turbina gazowa z recyrkulacją części gazów anodowych i wymiennikami regeneracyjnymi: S sprężarka; T turbina gazowa; G generator; DC/AC - falownik Na rysunku 5 przedstawiono przykładowy schemat układu hybrydowego z ogniwem SOFC i turbiną gazową. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010 97
Rys. 5. Schemat poglądowy układu hybrydowego z ogniwem SOFC: S sprężarka; T turbina gazowa; G generator; DC/AC - falownik W układzie hybrydowym z ogniwem paliwowym SOFC ogniwo jest umieszczone przed komorą spalania w układzie turbiny gazowej. Sprężone powietrze jest kierowane do przepływu katodowego ogniwa, gdzie jest zubażane o pewną ilość tlenu, a następnie trafia do komory spalania. Paliwo wraz z dodatkiem pary wodnej jest doprowadzane do przepływu anodowego, gdzie ulega częściowemu utlenianiu a następnie trafia do komory spalania, gdzie jest dopalane. Spaliny opuszczające komorę spalania zasilają turbinę gazową. Również tu paliwo węglowodorowe jest mieszane z parą wodną w celu uniknięcia odkładania się węgla w postaci stałej na elektrodach ogniwa. Para wodna może być dostarczana z zewnątrz lub poprzez recyrkulację części gazów anodowych. W związku ze stratami ciśnienia występującymi w przepływie anodowym recyrkulujące gazy muszą być sprężane. Temperatura gazów opuszczających układ jest stosunkowo wysoka, dzięki czemu sprawność układu można poprawić stosując wymienniki regeneracyjne. Tutaj sprawność, dzięki bardzo wysokiej temperaturze zachodzących procesów, może osiągnąć wartość powyżej 70%. Należy zauważyć, że duży wpływ na parametry całego układu ma wybór elektrolitu (który powinien charakteryzować się bardzo wysoką przewodnością jonową) [11, 13]. Omówione pokrótce właściwości ogniw SOFC i MCFC predysponują je do zastosowania w dużych systemach stacjonarnych (generacja rozproszona) o mocach od kilkudziesięciu kw do pojedynczych MW [9]. Obecnie budowane układy hybrydowe wykorzystujące ogniwa SOFC i MCFC osiągają moce do 300 kw. Przewiduje się, że w niedalekiej przyszłości moce układów hybrydowych osiągną poziom pojedynczych megawatów. Obiektami zasilanymi przez układy pracujące w kogeneracji bądź układy hybrydowe będą najprawdopodobniej biurowce, szpitale, supermarkety i centra handlowe. Również ogniwa niskotemperaturowe, jak PEMFC, są brane pod uwagę do zastosowań w budowie małych jednostek wytwórczych do zasilania potrzeb własnych obiektów energetyki i telekomunikacji, zastępując układy bazujące na bateriach akumulatorów. Na rysunku 6 przedstawiono stanowisko badawcze opracowane w Zakładzie Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej PW, zbudowane przy współpracy z firmą APS Energia. Jest to układ z ogniwem PEMFC zasilany metanolem za pośrednictwem procesora metanolowego [2]. Rys. 6. Schemat układu z ogniwami paliwowymi i procesorem metanolowym Podsumowanie Dynamiczny rozwój technologii wodorowych, w tym ogniw paliwowych jest oczywisty ale energetyka oparta na tym paliwie to ciągle odległa a nawet wątpliwa przyszłość. Czy jest to technologia dojrzała, czy wodór zasłużył już na miano nowoczesnego, przyszłościowego nośnika energii? Biorąc pod uwagę postęp jaki się tu dokonał odpowiedź wydaje się oczywista - pamiętajmy jednak, że jak dotąd nie istnieje w pełni komercyjna, masowo produkowana instalacja energetyczna bazująca na ogniwach paliwowych i paliwie wodorowym. Obecnie istniejące układy energetyczne to nadal jedynie instalacje laboratoryjne i 98 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010
pilotażowe, obarczone wysokimi nakładami inwestycyjnymi (technologicznymi). Dziś nakłady inwestycyjne dla układów energetycznych z średnio i wysokotemperaturowymi ogniwami paliwowymi wahają się w granicach od 2500 3000 /kw (PAFC) do 8000 12000 /kw (SOFC) [7]. Dzisiaj technologia uchodzi za dojrzałą jeśli jej zastosowanie przede wszystkim jest ekonomicznie uzasadnione (analizy ekonomiczne związane z rentownością tej technologii pokazują, że koszty inwestycyjne nie powinny przekraczać 1500 /kw). Parametry techniczne, choć równie istotne, są sprawą drugorzędną. Penetracja tej technologii w sektorze energetycznym jest zależna od wielu czynników, nie tylko technicznych i ekonomicznych, ale również politycznych i społecznych, co jest charakterystyczne dla każdej nowej, przez co budzącej wiele kontrowersji i ingerującej w panujący porządek, technologii. Jak wspomniano wcześniej wykorzystanie technologii wodorowych, w tym ogniw paliwowych, może przyczynić się do znacznej redukcji emisji dwutlenku węgla, czyli umożliwić realizację celów politycznych krajów wysoko uprzemysłowionych, chcących przeciwdziałać globalnemu ociepleniu. Przeprowadzone analizy pokazały, że energetyka wodorowa ma rację bytu i może mieć znaczący udział w energetyce globalnej już w 2050 roku, jeśli np. ceny uprawnień do emisji CO 2 osiągną drakoński poziom 100 $/t [7]. Kolejnym problemem wydaje się standaryzacja i regulacje prawne obejmujące całościowo technologię wodorową, począwszy od sposobów produkcji, przez transport, a skończywszy na parametrach jakościowych i bezpieczeństwie użytkowników. Technologie wodorowe jak na razie nie są konkurencyjne w stosunku do innych technologii paliwowych (np. do biopaliw) i technologii energetycznych o równie dużym potencjale innowacji, np.: nowoczesnych bezemisyjnych technologii węglowych, turbozespołów wiatrowych, czy choćby nawet wciąż ulepszanych baterii akumulatorów. Czy nie byłoby rozsądniej zainwestować w opanowaną już technologię jądrową, zapewniając naszej cywilizacji energetyczną stabilność na kilkaset lat? LITERATURA [1] Fuel Cell Handbook (seventh edition), US DoE, Morgantown, West Virginia, November 2004 [2] P a ska J., Kłos M., Stan obecny i perspektywy wykorzystania ogniw paliwowych, Rynek Energii, nr 1, 2008 [3] P a ska J.: Technologie generacji rozproszonej, Elektroenergetyka - Technika, Ekonomia, Organizacja, nr 4, 2002 [4] P a ska J., Możliwości wykorzystania ogniw paliwowych w generacji rozproszonej. Rynek Energii, nr 6, 2002 [5] Kordesch K., Simander G., Fuel Cells and Their Applications, VCH Verlagsgesellschaft mbh, Weinheim 1996 [6] C h m i elniak T., Ogniwa paliwowe w układach energetycznych małej mocy, Seminarium Kogeneracja w energetyce przemysłowej i komunalnej, 2003, Politechnika Śląska, Gliwice [7] C o n t e M., D i Mario F., I acobazzi A., Mattucci A., Moreno A., Ronchetti M., Hydrogen as Future Energy Carrier: The ENEA Point of View on Technology and Application Prospects, Energies, no 2, 2009 [8] Z ü t t el A., Hydrogen storage methods, Naturwissenschaften, no 4 (91), 2004 [9] L e i g hty W., H o lloway J., M e rer R., S o m e rday B., S a n M a rchi C., K e ith G., W h i t e D., Compressorless Hydrogen Transmission Pipelines Deliver Large-scale Stranded Renewable Energy at Competitive Cost, 16 th World Hydrogen Energy Conference, Lyon, 2006 [10] P a ska J., Urządzenia bezpośredniej przemiany energii pierwotnej w energię elektryczną. Energetyka, nr 8, 2006 [11] M iller A., D m ows k i A., Milews ki J., Biczel P., Struktura i parametry układu hybrydowego z ogniwem paliwowym SOFC problemy optymalizacji, Mat. Konf. Naukowej Problemy Badawcze Energetyki Cieplnej, Warszawa, grudzień 2007 [12] P a ska J., Biczel P., Kłos M., Hybrid power systems An effective way of utilising primary energy sources, Renewable Energy, no 11 (34), 2009 [13] B rouwer J., Hybrid Gas Turbine Fuel Cell Systems, dostępne w internecie [14] B iczel P., K łos M., Hybrydowy układ wytwarzania ogniwo paliwowe MCFC i turbina gazowa, Mat. Konf. Naukowej Podstawowe Problemy Energoelektroniki, Elektromechatroniki i Mechatroniki - PPEEm 2007, 2007 Autorzy: Prof. dr hab. inż. Józef Paska, Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, E-mail: jozef.paska@ien.pw.edu.pl; Dr inż. Mariusz Kłos, Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, E-mail: mariusz.klos@ien.pw.edu.pl PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010 99