POLITECHNIKA POZNAŃSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI. mgr inż. Bartosz Ceran

POLITECHNIKA POZNAŃSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI mgr inż. Bartosz Ceran Ogniwa paliwowe w systemach rozproszonego wytwarzania energii elektrycznej Rozprawa doktorska przedłożona Radzie Wydziału Elektrycznego Politechniki Poznańskiej Promotor: prof. dr hab. inż. Józef Lorenc Promotor pomocniczy: dr inż. Krzysztof Sroka

Spis treści WYKAZ SYMBOLI...3 STRESZCZENIE...5 ABSTRACT...6 1. WPROWADZENIE...7 2. TEZA, CEL i ZAKRES PRACY...11 3. OGNIWA PALIWOWE TYPU PEMFC...15 3.1 Wstęp...15 3.2 Zasada działania ogniwa paliwowego typu PEMFC...17 3.3 Charakterystyki eksploatacyjne stosu ogniw paliwowych...18 3.4 Zastosowanie ogniw paliwowych w generacji rozproszonej...24 4. PRZEMYSŁOWE METODY PRODUKCJI WODORU...29 4.1 Wstęp...29 4.2 Elektroliza wody...30 4.3 Reforming parowy węglowodorów...32 4.4 Częściowe utlenianie węglowodorów...33 4.5 Zgazowanie paliw stałych...34 4.6 Podsumowanie technologii wytwarzania wodoru...36 5. BADANIA EKSPLOATACYJNE STOSU OGNIW PALIWOWYCH TYPU PEMFC 38 5.1 Wstęp...38 5.2 Badania eksploatacyjne stosu PEMFC o mocy 300 W...38 5.2.1 Stanowisko badawcze...38 5.2.2 Rozruch i praca stosu ogniw paliwowych...40 5.2.3 Wyznaczanie charakterystyki zewnętrznej stosu...42 5.2.4 Wpływ temperatury pracy stosu na wartość generowanego napięcia...44 5.2.5 Badanie wpływu zmiany współczynnika nadmiaru powietrza na pracę stosu.47 5.3 Badanie współpracy ogniwa paliwowego typu PEMFC z turbiną wiatrową i ogniwami fotowoltaicznymi...49 5.3.1 Stanowisko badawcze...49 5.3.2 Wyniki pomiarów...52 6. MODEL MATEMATYCZNY POZWALAJĄCY NA ANALIZĘ WSPÓŁPRACY UKŁADU HYBRYDOWEGO Z SYSTEMEM ELEKTROENERGETYCZNYM...56 6.1 Wstęp...56 6.2 Analiza energetyczna pracy hybrydowego systemu wytwórczego...56 6.2.1 Profile wietrzności i nasłonecznienia...57 6.2.2 Profile energetyczne odbiorcy...59 6.2.3 Dobór mocy urządzeń hybrydowego systemu wytwórczego...62 6.3 Metoda programowania kompromisowego...67 6.3.1 Scenariusze i kryteria decyzyjne przyjęte w modelu...69 6.4 Podsumowanie...75 7. WIELOKRYTERIALNA ANALIZA WSPÓŁPRACY HYBRYDOWEGO SYSTEMU WYTWÓCZEGO Z SYSTEMEM ELEKTROENERGETYCZNYM...76 7.1 Wstęp...76 7.2 Wielokryterialna analiza rozdziału obciążeń dla wybranych profili odbiorcy...77 7.3 Wnioski z przeprowadzonych badań...99 8. PODSUMOWANIE...100 9. LITERATURA...103 2

WYKAZ SYMBOLI SYMBOL ZNACZENIE JEDNOSTKA α kryterium agregujące scenariusze w analizie wielokryterialnej - η sprawność konwersji energii - η el sprawność wytwarzania mocy elektrycznej - η elhsw sprawność wytwarzania mocy elektrycznej przez hybrydowy system wytwórczy - η El sprawność elektrolizera - η magazynu sprawność magazynowania wodoru - η op sprawność stosu ogniw paliwowych - η Q sprawność wytwarzania mocy cieplnej - κ wykładnik adiabaty - λ pow współczynnik nadmiaru powietrza - λ H2 współczynnik nadmiaru wodoru - ΔG zmiana entalpii swobodnej reakcji [kj/mol] ΔH ciepło reakcji procesu chemicznego, zmiana entalpii [kj/mol] ΣS suma strat ciepła w stosie ogniw paliwowych [kj/s] c p ciepło właściwe [kj/kgk] k 1 kryterium energetyczne w analizie wielokryterialnej [kgh 2 /kwh] k 2 kryterium ekonomiczne w analizie wielokryterialnej [PLN/kWh] k 3 kryterium środowiskowe w analizie wielokryterialnej [kgco 2 /kwh] k 4 kryterium systemowe w analizie wielokryterialnej [kwh/kwh] k backup k EW, k pv k Odb współczynnik określający stopień zasilania odbiorcy z wykorzystaniem wodoru dodatkowego (backup) - współczynniki rozpływu mocy generowanej przez panele fotowoltaiczne i turbiny wiatrowe - współczynnik określający rozpływ mocy generowanej na magazyn energii i odbiorcę - m dt chwilowy stopień obciążenia - m do stopień obciążenia podstawowego - m ds stopień obciążenia szczytowego - m H2 masowy strumień wodoru [kg/s] m H2O masa molowa wody [g/mol] n cf_pv stopień wyzyskania mocy średniej z instalacji fotowoltaicznej - n cf_ew stopień wyzyskania mocy średniej z elektrowni wiatrowych - n ogniw liczba ogniw paliwowych tworzących stos - procentowa wartość odległości najlepszego scenariusza od P punktu zadawalającego - p 0, p 1 ciśnienie wodoru przed i po sprężeniu [MPa] prawdopodobieństwo wystąpienia prędkości wiatru w i-tym przedziale - p(v i ) V prędkość wiatru [m/s] w m waga danego kryterium decyzyjnego - x nm zmienna decyzyjna w analizie wielokryterialnej - z współczynnik szorstkości terenu - A PV energia elektryczna wytworzona przez system fotowoltaiczny [kwh] 3

masa CO 2 powstała przy produkcji 1 kg wodoru w procesie CO 2 /H 2 reformingu parowego, częściowego utleniania lub zgazowania paliw stałych [kgco 2 /kgh 2 ] D przepływ masowy czynnika chłodzącego stos ogniw paliwowych [kg/s] E natężenie promieniowania słonecznego [W/m 2 ] E 0 SEM ogniwa przy ciśnieniu standardowym [V] E HSW energia z hybrydowego systemu wytwórczego [kwh] E Odb energia pobrana przez odbiorcę [kwh] E promieniowania energia promieniowania słonecznego [Wh/m 2 ] E sys energia z systemu elektroenergetycznego [kwh] E t potencjał termoneutralny (ang. thermoneutral potential) [V] F stała Faradaya [C/mol] I natężenie prądu elektrycznego [A] K a koszty amortyzacji PLN K e koszty eksploatacyjne hybrydowego systemu wytwórczego PLN K H2O koszty przygotowania wody do elektrolizy PLN koszty operacyjne i zarządzania urządzeń tworzących system hybrydowy PLN K O&M K paliwa koszty zakupu i transportu wodoru dodatkowego PLN miara rozbieżności rozpatrywanego scenariusza S od punktu idealnego - L α M liczba przedziałów prędkości wiatru o szerokości Δv i - M H2 masa zużytego wodoru dodatkowego [kg] P elek moc pobierana przez elektrolizer [kw] P EW moc generowana przez elektrownie wiatrowe [kw] P komp moc pobierana przez sprężarkę [kw] P Odb moc elektryczna pobierana przez odbiorcę [kw] P OP moc stosu ogniw paliwowych [kw] P PV moc generowana przez instalacje fotowoltaiczną [kw] P sys moc pobierana z systemu elektroenergetycznego [kw] P śr_gen wartość średnia mocy generowanej przez źródła odnawialne [kw] P śr _ odb wartość średnia mocy pobieranej przez odbiorcę [kw] PA próg akceptowalności w analizie wielokryterialnej - Q c strumień ciepła produkowanego przez stos ogniw [W] Q ch strumień energii chemicznej paliwa [W] Q cu strumień ciepła użytecznego [W] Q ch2 ciepło spalania wodoru [MJ/Nm 3 ] Q wh2 wartość opałowa wodoru [MJ/Nm 3 ] R indywidualna stała gazowa [J/mol/K] T temperatura pracy ogniwa paliwowego [K] U napięcie stosu ogniw paliwowych [V] V H2 objętościowy strumień wodoru [Nm 3 /min] W jednostkowa praca kompresora [MJ/kg] WE CO2 wskaźnik emisji CO 2 w systemie elektroenergetycznym [kgco 2 /MWh] W k współczynnik korekcyjny uwzględniający kąt skierowania instalacji fotowoltaicznej na południe oraz kąt odchylenia modułów od poziomu W w współczynnik wydajności instalacji fotowoltaicznej - - 4

OGNIWA PALIWOWE W SYSTEMACH ROZPROSZONEGO WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ STRESZCZENIE Ogniwa paliwowe z jonowymienną membraną polimerową w systemach rozproszonego wytwarzania energii elektrycznej znajdują zastosowanie m.in. w hybrydowych układach wytwórczych opartych na źródłach energii o stochastycznym charakterze pracy. W układach tych ogniwo paliwowe, wykorzystując nadwyżki energii zmagazynowane w postaci wodoru, pełni rolę źródła interwencyjnego, które wspomaga jednostki wytwórcze takie jak elektrownie wiatrowe i panele fotowoltaiczne. Takie połączenie zwiększa stopień wykorzystania wyżej wymienionych źródeł energii i ułatwia planowanie ich pracy w systemie elektroenergetycznym. Głównym celem niniejszej rozprawy było opracowanie modelu matematycznego opartego na wielokryterialnej analizie rozdziału obciążeń między układ hybrydowy a system elektroenergetyczny z uwzględnieniem aspektów energetycznych, ekonomicznych i środowiskowych. Analizowany hybrydowy układ wytwórczy składa się z elektrowni wiatrowych, paneli fotowoltaicznych, ogniwa paliwowego z jonowymienną membraną polimerową oraz elektrolizera, dzięki któremu układ ma możliwość konwersji nadwyżek produkowanej energii elektrycznej do energii chemicznej w postaci wodoru i wykorzystania jej przez ogniwo paliwowe w okresie szczytowego zapotrzebowania. Analizę wielokryterialną przeprowadzono dla ośmiu profili energetycznych odbiorcy dla różnych scenariuszy rozdziału obciążeń. Jako kryteria oceny rozpatrywanych scenariuszy przyjęto: zużycie paliwa (wodoru) przez hybrydowy system wytwórczy (kryterium energetyczne), jednostkowy koszt wytwarzania energii elektrycznej przez hybrydowy system wytwórczy (kryterium ekonomiczne), emisja dwutlenku węgla przez hybrydowy system wytwórczy i system elektroenergetyczny (kryterium środowiskowe) oraz stopień wykorzystania mocy zamówionej w systemie elektroenergetycznym przez odbiorcę (kryterium systemowe). Wartości wyżej wymienionych kryteriów zostały wyznaczone w oparciu o analizy energetyczną i ekonomiczną pracy hybrydowego systemu wytwórczego. Przebadano wpływ wartości wag kryteriów decyzyjnych na wynik końcowy analizy wielokryterialnej. 5

ABSTRACT FUEL CELLS IN DISTRIBUTED ELECTRICITY GENERATION SYSTEMS Fuell cells with ion exchange polymer membrane in distributed generation system are used among others in hybrid power generation systems based on energy sources of stochastic nature of work. In these systems, fuel cell using the excess energy stored in the form of hydrogen, serves as a source of emergency which supports the generation units such as wind turbines and photovoltaic panels. This combination increases the utilization of the abovementioned energy sources and facilitates the planning of their work in the power system. The main objective of this paper was to develop a mathematical model based on multicriteria analysis of load distribution between the hybrid system and the power system, taking into account energy, economic and environmental aspects. The analyzed hybrid power generation system consists of wind turbines, solar panels, a fuel cell with a polymer ion exchange membrane and the electrolyzer, so that the system has the ability to convert surplus of produced electricity to chemical energy in the form of hydrogen and its use by the fuel cell during the period of peak demand. Multi-criteria analysis was carried out for eight energy profiles of the recepients for different scenarios of load distribution. As the criteria of evaluation of the scenarios assumed: fuel consumption (hydrogen) by the hybrid power generation system (energy criterion), the unit cost of electricity generation by the hybrid power generation system (economic criterion), the emission of carbon dioxide by the hybrid power generation system and power system (environment criterion) and capacity of utilization of power ordered in electricity system by the recipient (system criterion). The values of the abovementioned criteria have been determined on the basis of energy and economic hybrid power generation system work analysis. The influence of value of weights of decision criteria on the final result of multi-criteria analysis has been tested. 6

1. WPROWADZENIE Istotną cechą systemu elektroenergetycznego jest brak możliwości magazynowania energii elektrycznej na skalę przemysłową. Cała produkowana energia jest natychmiast zużytkowana przez odbiorców. Poszczególne rodzaje elektrowni wypełniają swoje zadania wytwórcze pokrywając część aktualnego zapotrzebowania (Rys.1.1) [26, 28, 66, 67]. Wyróżnia się elektrownie podstawowe (nowoczesne elektrownie cieplne parowe, jądrowe, wodne przepływowe), elektrownie podszczytowe (elektrownie cieplne parowe starszych typów oraz elektrownie wodne zbiornikowe) oraz elektrownie szczytowe (elektrownie wodne szczytowo-pompowe oraz elektrownie z turbinami gazowymi). Rys. 1.1. Pokrywanie obciążenia dobowego przez elektrownie: a podstawowe, b podszczytowe, c 1 i c 2 szczytowe Elektrownie podstawowe są najczęściej jednostkami wytwórczymi centralnie dysponowanymi, które mogą zwiększać lub zmniejszać, w ograniczonym zakresie, swoje obciążenie w zależności od zapotrzebowania. Bardziej elastycznymi jednostkami są turbiny gazowe, choć nowoczesne elektrownie węglowe także realizują usługę systemową polegającą na regulacji mocy. Operator systemu elektroenergetycznego przydziela zadania produkcyjne poszczególnym jednostkom wytwórczym według zapotrzebowania starając się minimalizować całkowity koszt paliwa w systemie. Od kilkunastu lat obserwowany jest dynamiczny rozwój sektora wytwórczego wykorzystującego na coraz większą skalę energię ze źródeł odnawialnych. Rozwój ten podyktowany jest w głównej mierze potrzebą dekarbonizacji sektora wytwórczego wynikającą z celów klimatycznych Unii Europejskiej. Gwałtowny wzrost źródeł odnawialnych, szczególnie o stochastycznym charakterze pracy, powoduje ryzyko destabilizacji pracy systemu elektroenergetycznego. Według prac [45, 80] elektrownie 7

wiatrowe i fotowoltaiczne w porównaniu z konwencjonalnymi źródłami energii elektrycznej charakteryzują się pewnymi negatywnymi cechami eksploatacyjnymi, do których należą: częsty brak korelacji pomiędzy wielkością produkcji energii elektrycznej, uzależnionej od siły wiatru oraz natężenia promieniowania słonecznego a wartością zapotrzebowania odbiorców końcowych, nagłe zmiany mocy wprowadzanej do sieci elektroenergetycznej, uzależnione od zmian prędkości wiatru i natężenia promieniowania słonecznego, stosunkowo niska przewidywalność pracy tych źródeł w dłuższym horyzoncie czasu, co utrudnia planowanie pracy systemu. W celu redukcji wyżej wymienionych problemów związanych z eksploatacją systemu elektroenergetycznego nasyconego źródłami o stochastycznym charakterze pracy, operatorzy stosują następujące środki zaradcze, które według [42, 45] można podzielić na 3 grupy: działania dostosowawcze w zakresie istniejących w systemie elektroenergetycznym źródeł wytwórczych, tj. zwiększenie udziału źródeł o szybkim starcie np. źródeł szczytowych lub pracujących w trybie interwencyjnym, zwiększenie zakresu pracy istniejących źródeł konwencjonalnych, zwiększenie zdolności regulacyjnych całego systemu elektroenergetycznego, wykorzystanie technologii magazynowania energii, uruchomienie przedsięwzięć dotyczących sterowania popytem (specjalne taryfy lub umowy zapewniające operatorom wpływ na wartość mocy i energii pobieranej przez odbiorców końcowych). Rozwój technologii magazynowania energii daje możliwość przeniesienia generacji energii przez źródła odnawialne z godzin pozaszczytowych na godziny szczytowe [42, 45]. Obecnie dostępne zasobniki energii wykorzystują zarówno dojrzałe technologie umożliwiające magazynowanie energii elektrycznej, jak i te nowatorskie, które nie zostały jeszcze skomercjalizowane. Do technologii umożliwiających magazynowanie energii elektrycznej możemy zaliczyć [24, 59, 71, 76]: elektrownie wodne szczytowo-pompowe, akumulatory elektryczne, pneumatyczne zasobniki energii (CAES ang. Compressed Air Energy Storage), superkondensatory, kinetyczne zasobniki energii, nadprzewodzące zasobniki energii (SMES ang. Superconducting Magnetic Energy Storage) oraz układ elektrolizer ogniwo paliwowe (El-OP). Należy zwrócić uwagę na pewne nieścisłości występujące w nazewnictwie niektórych technologii magazynowania energii elektrycznej. Przykładowo w układzie El-OP zarówno elektrolizer jak i ogniwo paliwowe nie są magazynami energii 8

a jedynie jej przetwornikami. Magazynem energii jest zbiornik wodoru, który nie występuje w nazwie. Podobną nieścisłość można zauważyć przy elektrowni szczytowo pompowej, gdzie magazynem energii potencjalnej nie jest sama elektrownia tylko górny zbiornik. W niniejszej rozprawie sformułowania: ogniwo paliwowe współpracujące z elektrolizerem lub układ elektrolizer - ogniwo paliwowe należy rozumieć jako system magazynowania energii w postaci wodoru z możliwością wykorzystania go w ogniwie paliwowym. W tabeli 1 przedstawiono podstawowe parametry charakterystyczne stosowanych obecnie magazynów energii elektrycznej: Tabela 1.1. Porównanie cech zasobników energii. Elektrownia wodna szczytowo - pompowa Zakres mocy (MW) Czas ładowania Czas rozładowania Czas życia lub liczba cykli pracy Lata/liczba cykli Spadek nagromadzonej energii Sprawność (%/dzień) (%) 50-1000 4 12 h 3 10 h 30 90 lat 0 60-85 CAES 10-1000 2 30 h 3 24 h 20 40 lat 0 40-85 sek. 20000 - Koło zamachowe 0,01-10 sek. - min 1,3-100 70-95 godz. 100000 Bateria Li-ion 0,1-20 1min 8h 15min - 4h 1000-10000 0,1-0,3 85-98 Bateria NaS 3-100 1min 8h 30min - 8h 2500-4500 0,05-20 70-90 Superkondensator 0,01-1 ms min. < 30 s 10000-100000 20-40 80-98 Elektrolizer zbiornik wodoru ogniwo paliwowe (El-OP) 0,01-1 min. tydz. min. tydz. 5 30 lat 0-4 25-45 SMES 0,1-10 ms sek. sek. - min 100000 10-15 80-95 Źródło: Opracowanie własne na podstawie [22, 25, 39, 42, 50, 62, 68] Z wymienionych technologii magazynowania energii duży potencjał wykazuje ogniwo paliwowe typu PEMFC, współpracujące z elektrolizerem i zbiornikiem wodoru (układ El-OP). Dostępne są rozwiązania techniczne, w których ogniwo paliwowe i elektrolizer zastąpiono ogniwem paliwowym z możliwością realizacji pracy odwracalnej tzw. RFC (ang. Reversible Fuel Cell). Kompaktowe jednostki typu RFC wymagają mniejszej powierzchni instalacyjnej w stosunku do układu elektrolizer ogniwo paliwowe oraz charakteryzują się wysoką gęstością magazynowanej energii, większą niż 500 Wh/kg. Sprawność cyklu ładowania i rozładowania jednostki RFC osiąga wartość na poziomie 45 25 % w zależności od obciążenia, czyli zdecydowanie mniej niż pozostałe technologie magazynowania energii 9

(tabela 1.1). Niemniej jednak wysoka wartość gęstości energetycznej powoduje, że RFC może znaleźć zastosowanie dla aplikacji, gdzie powierzchnia systemu magazynującego jest ograniczona [55]. Ogniwo paliwowe we współpracy z elektrolizerem może nie tylko pełnić rolę magazynu energii w systemie rozproszonego wytwarzania energii elektrycznej poprzez jej konwersję do postaci energii chemicznej w postaci wodoru, ale także źródła interwencyjnego, wspomagającego jednostki wytwórcze, których praca jest uzależniona od warunków pogodowych i kompensującego ich wady [1, 6, 8, 9, 87]. Technologia ogniw paliwowych jest stale rozwijana, a pod względem wykorzystania w kogeneracji jest uważana za bardzo obiecującą, zarówno w przemyśle, jak i np. w zasilaniu w energię elektryczną i ciepło budynków. Według Pani profesor Molendy wprowadzanie ogniw paliwowych do energetyki wymaga rozwoju m.in.: technologii magazynowania i bezpiecznego przesyłania wodoru oraz jego wykorzystania do produkcji energii elektrycznej w ogniwach paliwowych, zagadnień materiałowych mających na celu poprawę technologii, np. przedłużenie żywotności danej jednostki i obniżenie kosztów eksploatacji, technologii wytwarzania wodoru, porównywalnej ekonomicznie z wykorzystywaniem paliw kopalnych. Rozwój technologii ogniw paliwowych będzie głównym motorem napędowym rozwoju sektora energetyki wodorowej [51, 52]. Istotne znaczenie będzie także miała edukacja społeczeństwa, ponieważ obecnie wodór kojarzony jest przez wielu ludzi głównie z niebezpieczeństwem wybuchu, tzw. syndrom Hindenburga. W niniejszej pracy podjęto próbę oceny współpracy hybrydowego systemu wytwórczego składającego się z elektrowni wiatrowych, paneli fotowoltaicznych i magazynu energii elektrolizer - ogniwo paliwowe z systemem elektroenergetycznym. Pod pojęciem hybrydowy systemem wytwórczy należy rozumieć połączenie różnych technologii wytwarzania energii elektrycznej, np. źródeł odnawialnych ze źródłami nieodnawialnymi (małe turbiny gazowe, generatory napędzane silnikami, ogniwa paliwowe itp.) i/lub zasobnikami energii elektrycznej. Układy te najczęściej buduje się w taki sposób, aby można było wykorzystywać zalety pojedynczych źródeł. Fakt ten sprawia, że systemy hybrydowe należą do bardzo drogich ze względu na konieczność przewymiarowania wartości mocy zainstalowanej [4, 61]. 10

2. TEZA, CEL i ZAKRES PRACY W ostatnich dziesięcioleciach przeprowadzono wiele projektów badawczych poświeconych poszukiwaniu optymalnej konstrukcji elementów systemów hybrydowych wytwarzających energię elektryczną. Szereg publikacji naukowych z ostatnich lat porusza problemy tej tematyki. Juhari i inni [30] prezentują metodę optymalizacji hybrydowego system wytwórczego, celem której jest minimalizacja kosztów i ograniczenie nadmiaru produkowanej energii w stosunku do zapotrzebowania. Kellog i inni [36] prezentuje hybrydowy system wytwórczy składający się z instalacji fotowoltaicznej oraz wiatrowej, gdzie optymalizacji poddane są wymiary urządzeń. Kamaruzzaman i inni. [33] prezentują zastosowanie algorytmów genetycznych. Z kolei Labert i inni [43] jako funkcję celu do minimalizacji przyjmują wskaźnik NPC (ang. Net Present Cost). Niektórzy autorzy używają do symulacji programów komercyjnych [23, 34]. Fahmy i inni [23] używają oprogramowania HOMER, za pomocą którego optymalizują koszty hybrydowego systemu wytwórczego składającego się z turbiny wiatrowej, instalacji fotowoltaicznej i ogniwa paliwowego. Kamel i inni [34] stosują oprogramowanie Homer, przy pomocy którego optymalizuje rozmiar komponentów w celu uzyskania jak najniższych kosztów hybrydowego systemu zasilania dla aplikacji autonomicznych. Khare i inni [37] przedstawiają metodologię doboru wielkości komponentów hybrydowego systemu wytwórczego dla autonomicznego systemu składającego się z instalacji fotowoltaicznej, silnika Diesla oraz akumulatora. Rashidi i inni [69] przedstawiają projekt autonomicznego układu składającego się z instalacji fotowoltaicznej z magazynem energii elektrolizer ogniwa paliwowe. Prowadzone są także badania nad optymalizacją wielokryterialną hybrydowych systemów wytwórczych [2, 54, 70] Tematyka szeregu publikacji naukowych dotyczy także badań symulacyjnych współpracy równoległej elektrowni wiatrowej, instalacji fotowoltaicznej i ogniwa paliwowego w hybrydowym systemie wytwórczym [1, 48, 87]. Uwagę autora zwrócił fakt, że modele współpracy hybrydowego systemu wytwórczego opartego na odnawialnych źródłach energii o stochastycznym charakterze pracy z siecią elektroenergetyczną (ang. on-grid), skupiają się na wykorzystywaniu systemu jako elementu bilansującego nadmiar lub niedobór wytwarzanej energii elektrycznej przez elektrownie wiatrowe lub instalacje fotowoltaiczne. Zatem w pracach tych nie uwzględnia się struktury sektora wytwórczego systemu elektroenergetycznego, który współpracuje z układem hybrydowym. Autorzy tych modeli nie biorą pod uwagę faktu, że aby system elektroenergetyczny mógł bilansować nadmiar lub niedobór energii, musi odpowiednio zwiększać lub zmniejszać produkcję w systemowych 11

jednostkach wytwórczych, w szczególności w elektrowniach konwencjonalnych. Według Chmielniaka i innych [14] wzrost awaryjności bloków parowych jest związany nie tylko z wyczerpywaniem się żywotności jego głównych modułów oraz sposobem eksploatacji ale także ze zmianą ich funkcji w systemie elektroenergetycznym nasyconym źródłami o stochastycznym charakterze pracy. W związku z powyższym autor postanowił opracować metodykę analizy rozdziału obciążeń między hybrydowy system wytwórczy składający się z elektrowni wiatrowych, paneli fotowoltaicznych oraz magazynu energii elektrolizer ogniwo - paliwowe a system elektroenergetyczny. Warto zaznaczyć, że hybrydowe systemy wytwórcze oparte na źródłach odnawialnych (elektrownie wiatrowe i fotowoltaiczne), w porównaniu z elektrowniami konwencjonalnymi, charakteryzują się mniejszym oddziaływaniem na środowisko oraz większymi kosztami jednostkowymi wytwarzania energii elektrycznej [7]. Dodatkowo, ze względu na konieczność zastosowania magazynu energii, sprawność wytwarzania energii elektrycznej przez układ hybrydowy jest mniejsza od sprawności bloku parowego. Wynika z tego, że przy planowaniu rozdziału obciążeń między hybrydowy system wytwórczy a źródła konwencjonalne należy uwzględniać aspekty energetyczne rozpatrywanych technologii wytwarzania energii elektrycznej (np. sprawność procesu przetwarzania energii pierwotnej na elektryczną, jednostkowe zużycie paliwa), aspekty ekonomiczne (np. jednostkowe koszty wytwarzania energii elektrycznej, wskaźniki opłacalności inwestycji) oraz aspekty środowiskowe (np. emisja spalin do otoczenia). Skłoniło to autora do postawienia tezy, która brzmi następująco: Planowanie rozdziału obciążeń między hybrydowy system wytwórczy, składający się z elektrowni wiatrowych, paneli fotowoltaicznych oraz magazynu energii w postaci elektrolizer - ogniwo paliwowe a system elektroenergetyczny można rozpatrywać jako zadanie, które należy rozwiązywać z uwzględnieniem różnych kryteriów (energetycznego, ekonomicznego, środowiskowego) za pomocą wielokryterialnych metod podejmowania decyzji. Uzupełnieniem, tak sformułowanej tezy jest równoczesne wykazanie, że dobór wartości wag poszczególnych kryteriów wielokryterialnej analizy współpracy hybrydowego systemu wytwórczego ze źródłami konwencjonalnymi przy zasilaniu odbiorców o określonym profilu energetycznym i w określonych warunkach atmosferycznych może mieć uzasadnienie techniczne, ekonomiczne i ekologiczne. 12

Dla udowodnienia postawionej tezy autor określił cel pracy: Celem pracy jest stworzenie modelu matematycznego pozwalającego na przeprowadzenie wielokryterialnej analizy współpracy hybrydowego systemu wytwórczego składającego się z elektrowni wiatrowych, fotowoltaicznych i magazynu energii elektrolizer ogniwo paliwowe z jonowymienną membraną polimerową z systemem elektroenergetycznym przy zasilaniu odbiorcy o określonym profilu i badanie wpływu wag wyżej wymienionych kryteriów na różne scenariusze rozdziału obciążeń między źródła niekonwencjonalne i konwencjonalne. Tak sformułowana teza i cel pracy zdeterminowały jej zakres. Rozdziały trzeci i czwarty stanowią część teoretyczną pracy. W rozdziale trzecim, na podstawie literatury, porównano pięć zasadniczych rodzajów ogniw paliwowych. Opisano budowę i zasadę działania tytułowego ogniwa paliwowego z jonowymienną membraną polimerową (ang. proton exchange membrane fuel cell PEMFC). Przytoczono wzory, za pomocą których można wyznaczyć wartość generowanej mocy elektrycznej i cieplnej oraz zapotrzebowanie wodoru i powietrza przez stos ogniw paliwowych. Przedstawiono następujące charakterystyki stosu ogniw paliwowych: zewnętrzną U = f(i), mocy elektrycznej P = f(i), mocy cieplnej Q c = f(i) wyznaczone w odniesieniu do wartości opałowej i ciepła spalania wodoru oraz sprawność stosu η = f(i). Rozdział czwarty przedstawia metody produkcji wodoru na skale przemysłową. Opisano następujące technologie: elektrolizę wody, reforming parowy węglowodorów, częściowe utlenianie węglowodorów oraz zgazowanie paliw stałych. Na podstawie literatury przedstawiono porównanie komercyjnych reaktorów zgazowania węgla oraz procentowy skład gazu powstałego ze zgazowania biomasy. Zaprezentowano porównanie efektywności wytwarzania wodoru przez następujące technologie: elektroliza wody, gazyfikacja węgla oraz reforming parowy. Wymieniono perspektywiczne, w tym niekonwencjonalne, metody produkcji wodoru, takie jak instalacje fotowoltaiczne czy turbiny wiatrowe zasilające elektrolizery. W rozdziale piątym opisano wyniki badań doświadczalnych przeprowadzonych przez autora, podczas stażu naukowego na Uniwersytecie Otto von Geuricke w Magdeburgu, na stosie ogniw paliwowych PEMFC o mocy znamionowej 300 W. Dokonano analizy wpływu czynników takich jak temperatura pracy ogniwa, przepłukiwanie anody (ang. purge), wartość strumienia powietrza dostarczanego do katody na parametry pracy badanego stosu. 13

Omówiono zarejestrowaną dynamikę pracy stosu ogniw PEMFC oraz oszacowano sprawność elektryczną badanego systemu ogniw paliwowych. Wyniki badań dotyczące cech eksploatacyjnych ogniw paliwowych typu PEMFC stanowiły podstawę do przeprowadzenia badań nad współpracą ogniwa paliwowego ze źródłami o stochastycznym charakterze pracy takimi jak elektrownie wiatrowe i ogniwa fotowoltaiczne. Dla osiągnięcia takiego celu, autor wykonał model fizyczny różnych źródeł rozproszonych i przeprowadził szereg wstępnych badań warunków pracy ogniwa paliwowego PEMFC w otoczeniu niestabilnych źródeł odnawialnych. Szósty rozdział opisuje model matematyczny układu wytwórczego składającego się z elektrowni wiatrowej, systemu fotowoltaicznego oraz ogniwa paliwowego, który umożliwia prowadzenie wielokryterialnej analizy rozdziału obciążeń między hybrydowy system wytwórczy składający się z elektrowni wiatrowych, paneli fotowoltaicznych oraz magazynu energii elektrolizer ogniwo paliwowe typu PEMFC a system elektroenergetyczny oparty na konwencjonalnych blokach parowych. W rozdziale sformułowano równania bilansowe opisujące rozpływ mocy w układzie hybrydowym oraz charakterystyki eksploatacyjne poszczególnych urządzeń tworzących układ hybrydowy. Zdefiniowano i opisano kryteria decyzyjne reprezentujące następujące aspekty, tj. energetyczne, ekonomiczne i środowiskowe, wykorzystane w analizie wielokryterialnej. W siódmym rozdziale autor przedstawił i skomentował wyniki badań przeprowadzonych na opracowanym modelu matematycznym dla następujących profili odbiorców: odbiorcy komunalni, zakład jednozmianowy, zakład dwuzmianowy, kombinacje wymienionych profili oraz profil o stałym poborze mocy. Przedstawiono w nim także wnioski końcowe uzyskane na podstawie przeprowadzonych analiz. Ósmy rozdział stanowi podsumowanie pracy. Autor odniósł wyniki swoich analiz do aktualnych publikacji dotyczących prognoz rozwoju sektora wytwórczego i sposobu eksploatacji nowych bloków energetycznych w krajowym systemie elektroenergetycznym. Przedstawił także dalsze plany prac nad rozbudową przedstawionego modelu, jakie planuje zrealizować w przyszłości. 14

3. OGNIWA PALIWOWE TYPU PEMFC 3.1 Wstęp Ogniwa paliwowe są uznawane za jedną z najbardziej obiecujących i perspektywicznych technologii wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Przewiduje się ich zastosowanie zarówno dla elektrowni dużych mocy jak i małych źródeł rozproszonych. Ogniwa paliwowe mogą być eksploatowane w szerokim zakresie zmienności obciążeń elektrycznych, przy zachowaniu wysokiej sprawności przetwarzania energii pierwotnej na użyteczną. Ogniwo paliwowe jest elektrochemicznym urządzeniem, które przetwarza energię chemiczną bezpośrednio w energię elektryczną. Brak pośrednich przemian prowadzących do powstania energii mechanicznej pozwala na uzyskanie wysokiej sprawności wytwarzania energii elektrycznej 35 do 60 % oraz energii elektrycznej i ciepła do 85 % [16, 66]. Sprawność przetwarzania energii zawartej w paliwie przez ogniwa, także podlega ograniczeniom wynikającym z zasad termodynamiki, jednak są to całkiem inne ograniczenia niż dla silników cieplnych W przeciwieństwie do obiegów cieplnych i silników spalinowych sprawność ogniw paliwowych nie podlega ograniczeniom obiegu Carnot a. Silniki spalinowe dobrze pracują w stałych warunkach i charakteryzują się wąskim zakresem mocy maksymalnej, poza którymi ich sprawność znacząco spada. Natomiast ogniwa paliwowe charakteryzują się wysoką sprawnością w szerokim zakresie mocy i temperatur (rys. 3.1), dlatego doskonale nadają się do pracy przy zmiennych obciążeniach. Bardzo cenną cechą ogniw paliwowych jest ich wysoka sprawność przy niewielkim obciążeniu [11, 12, 82, 85]. Rys. 3.1. Porównanie wydajności w funkcji temperatury ogniwa paliwowego i limitu Carnot a [11] 15

Pozostałe zalety ogniw paliwowych to: bardzo mała emisja gazów cieplarnianych, niski poziom hałasu, modułowa budowa, możliwość pracy z niskimi obciążeniami, możliwość pracy rewersyjnej, bardzo dobre możliwości regulacji. Główną wadą są wysokie koszty pojedynczych ogniw paliwowych, których elektrody muszą być pokrywane platyną, aby mogły spełniać funkcję produkcji energii elektrycznej [64]. Głównym kryterium technologicznym podziału ogniw paliwowych wodorowo- tlenowych jest rodzaj zastosowanego elektrolitu [16]. Zastosowany elektrolit określa nie tylko temperaturę pracy ogniwa, a także, pośrednio i bezpośrednio, skład i budowę elektrodowych materiałów katalitycznych. Ze względu na to kryterium wyróżnia się pięć zasadniczych rodzajów ogniw paliwowych wodorowo-tlenowych (tabela 3.1) [19, 65, 81, 88]. Tabela 3.1. Rodzaje ogniw paliwowych. Wyszczególnienie AFC* PAFC PEFC MCFC SOFC Elektrolit roztwór wodorotlenku potasu KOH stężony kwas fosforowy H 3 PO 4 membrana polimerowa mieszanina węglanów alkalicznych (Li, K, Na) nieporowaty stały tlenek metalu, najczęściej cyrkonu (ZrO 2 ), stabilizowany tlenkiem itru (Y 2 O 3 ) Temperatura pracy [ C] 80 120 ok. 200 do 80 650 800 1000 Nośnik ładunku jony OH jony wodoru jony wodoru jony węglanu jony tlenu gaz ziemny, gaz ziemny, Paliwo wodór, gaz metanol, biogaz; biogaz, paliwo wodór, metan, ziemny, paliwo poddane poddane hydrazyna wodór metanol, reformingowi reformingowi N 2 H 4 biogaz; wewnętrznemu i wewnętrznemu i zewnętrznemu zewnętrznemu Utleniacz tlen tlen tlen tlen dwutlenek węgla η [%] 40 50 40 50 40 50 >60 >60 100 W 200 200 kw 100 W Zakres mocy >100 MW >10 MW kw 10 MW 10 MW napęd, badania źródła źródła Zastosowanie źródła kosmosu rozproszone scentralizowane rozproszone tlen źródła scentralizowane *AFC (ang. Alkaline Fuel Cell) ogniwa paliwowe z elektrolitem zasadowym, PAFC (ang. Phosphoric Acid Fuel Cell) ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym, PEMFC (ang. Proton exchange membrane Fuel Cell) ) ogniwa paliwowe z jonowymienną membraną polimerową, MCFC (ang. Molten Carbonate Fuel Cell) ogniwa paliwowe z elektrolitem ze stopionych węglanów, SOFC (ang. Solid Oxide Fuel Cell) ogniwa paliwowe z elektrolitem ze stałych tlenków. 16

Najczęściej stosowanym paliwem dla ogniw paliwowych jest wodór, nie mniej jednak istnieją ogniwa paliwowe, które nie muszą być zasilane wodorem bezpośrednio. Do grupy ogniw paliwowych zasilanych paliwem innym niż wodór należą ogniwa z bezpośrednim utlenianiem metanolu DMFC (ang. Direct Methanol Fuel Cell). Na świecie są również prowadzone badania nad węglowym ogniwem paliwowym DCFC (ang. Direct Carbon Fuel Cell), które jest zasilane bezpośrednio paliwami bogatymi w pierwiastek C. Ogniwo węglanowe jest szczególnym przypadkiem ogniwa średniotemperaturowego z alkalicznym elektrolitem [38]. 3.2 Zasada działania ogniwa paliwowego typu PEMFC W ogniwach paliwowych wykorzystuje się tzw. zimnie spalanie, utlenianie elektrochemiczne, gdzie zachodzi wymiana elektronów między atomami paliwa i tlenu. W idealnym ogniwie paliwowym z mola wodoru można uzyskać 238 kj energii elektrycznej i 48 kj ciepła. Podczas spalania uzyskuje się 286 kj ciepła. Zasada działania ogniwa paliwowego z jonowymienną membraną polimerową [27, 58, 63] została zilustrowana na rysunku 3.2 [65]. Rys. 3.2. Zasada działania ogniwa paliwowego typu PEMFC Paliwo (wodór) doprowadzane jest w sposób ciągły do anody, gdzie w obecności katalizatora platynowego następuje jego rozpad na protony (jony H + ) i elektrony: 2H 2 4H 4e (3.1) Utleniacz dostarczany jest do katody. Elektrolitem w ogniwie paliwowym PEM jest membrana polimerowa przewodząca protony. Wolne elektrony przechodzą do zewnętrznego obwodu elektrycznego natomiast protony migrują poprzez membranę na stronę katodową, 17

gdzie w wyniku łączenia się protonów, elektronów z obwodu zewnętrznego i tlenu z powietrza powstaje czysta woda i wydziela się ciepło: O2 4H 4e 2H 2O (3.2) Zatem w ogniwie następuje łączenie wodoru i tlenu w wodę z wydzieleniem się energii. Produktem ubocznym pracy ogniwa jest czysta woda. 2H 2 2O2 2H 2O energia (3.3) Pojedyncze ogniwo paliwowe generuje siłę elektromotoryczną o wartości około 1 V. Dzięki szeregowemu łączeniu ogniw paliwowych w stos możliwe jest zwielokrotnienie tej wartości według własnych preferencji. W celu poprawy dystrybucji paliwa i utleniacza stosuje się płytki bipolarne mające na celu rozprowadzenie gazów po całej powierzchni membrany. Materiał na płytki bipolarne musi, ze względu na warunki pracy ogniwa paliwowego, charakteryzować się dobrym przewodnictwem ciepła i prądu. Płyty bipolarne są obecnie wykonywane z grafitu, stali nierdzewnych lub kompozytów polimerowo węglowych.przykład zastosowania płytki bipolarnej został przedstawiony na rysunku 3.3 [3, 46]. Rys. 3.3. Zastosowanie płytki bipolarnej w budowie ogniwa paliwowego PEM. 3.3 Charakterystyki eksploatacyjne stosu ogniw paliwowych W procesie eksploatacji ogniw paliwowych ważnym zagadnieniem jest wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej ogniwa paliwowego i odpowiadającej jej krzywej mocy. Na rysunku 3.4 przedstawiono przykładową charakterystykę stosu ogniw paliwowych o mocy znamionowej 1,26 kw. Charakterystyka została opracowana na podstawie gotowego modelu ogniwa paliwowego typu PEMFC zamieszczonego w bibliotece simpowersystem środowiska Matlab/Simlulink. 18

Rys. 3.4. Charakterystyka zewnętrzna ogniwa paliwowego [10]. Przedstawiony na rysunku 3.4 wykres został podzielony na trzy obszary prądowe. Spadek napięcia w obszarze I (obszar strat aktywacji) spowodowany jest stratami aktywacyjnymi, związanymi z powolnością procesów zachodzących na elektrodach ogniwa. W obszarze II (obszar strat omowych) wartość napięcia spada liniowo ze wzrostem wartości natężenia prądu. Spowodowane jest to rezystancją wewnętrzną ogniwa tj. rezystancją elektrod i elektrolitu. Aby nie dochodziło do dużych strat mocy, rezystancja elektrolitu powinna być możliwie mała. Obszar III (obszar strat transportu masy), przy najwyższych wartościach natężenia prądu, nosi nazwę obszaru strat transportu masy. Straty te pojawiają się, gdy gazy w kontakcie z katalizatorem i elektrodą są zużywane szybciej niż mogą do nich dotrzeć, tzn. przy obciążeniu elektrycznym ogniwa przekraczającym jego znamionowe wartości. Konsekwencją tego zjawiska jest nagły spadek napięcia [5, 41, 65]. Wartość siły elektromotorycznej E 0 idealnego ogniwa wodorowo-tlenowego w warunkach izotermiczno-izobarycznych można opisać za pomocą normalnej energii wymiany Gibbs a: E 0 G (3.4) 2F 0 gdzie: ΔG 0 zmiana entalpii swobodnej reakcji [kj/mol], indeks 0 oznacza warunki standardowe (T = 298 K, p = 10 5 Pa), F stała Faradaya [C/mol]. 19

W tabeli 3.2 przedstawiono wartości siły elektromotorycznej E 0 w zależności od stanu skupienia produktu końcowego, tj. stanu ciekłego (c) lub gazowego (g). Tabela 3.2. Porównanie E 0 dla dwóch stanów skupienia wody [31] Reakcja chemiczna ΔG 0 [kj/mol] E 0 [V] H 2 O (c) 1-237,13 1,229 H2 O2 H 2O H 2 O (g) 2-228,57 1,184 Wartość siły elektromotorycznej E 0 dla wody w stanie ciekłym w warunkach standardowych wynosi E 0 = 1,229 V. Rzeczywista wartość siły elektromotorycznej E otwartego obwodu ogniwa paliwowego wodorowo-tlenowego opisana jest równaniem Nernsta: 0.5 0 RT ph p 2 O2 E E ln( ) (3.5) F p 2 H2 gdzie: E 0 SEM ogniwa przy ciśnieniu standardowym [V], R stała gazowa [J/mol K], T temperatura pracy ogniwa [K], F stała Faradaya [C/mol], p ciśnienia cząsteczkowe poszczególnych składników. Dla określenia mocy cieplnej generowanej przez ogniwo paliwowe wprowadzono pojęcie potencjału termoneutralnego (ang. thermoneutral potencial) E 0 t zdefiniowanego jako [31]: 0 0 H E t (3.6) 2 F gdzie: ΔH 0 zmiana entalpii tworzenia [kj/mol]. Jest to wartość napięcia wyjściowego jakie osiągnie ogniwo paliwowe przy teoretycznym założeniu, że 100 % energii chemicznej zostanie przekształcone w energię elektryczną. Podobnie jak w przypadku siły elektromotorycznej ogniwa E 0 wartość potencjału E 0 t zależy od stanu skupienia produktu końcowego wody (rys. 3.3). O Tabela 3.3. Porównanie Et dla dwóch stanów skupienia wody [31] Reakcja chemiczna ΔH 0 [kj/mol] E 0 t [V] H 2 O (c) 1-285,83 1,481 H2 O2 H 2O H 2 O (g) 2-241,82 1,253 20

Zmiana entalpii reakcji ΔH energetycznie odpowiada wartości opałowej wodoru, jeśli woda jest produktem w stanie gazowym (3.7) lub ciepłu spalania wodoru, jeśli produktem jest woda w stanie ciekłym (3.8). kj H H Q 2O ( g ) w H 2 mol (3.7) kj H H Q 2O ( c ) c H 2 mol (3.8) Producenci systemów ogniw paliwowych typu PEMFC w specyfikacji technicznej podają dwie wartości sprawności energetycznej: wartość sprawności odniesioną do wartości opałowej wodoru (ang. LHV Low heating value), wartość sprawności odniesioną do ciepła spalania wodoru (ang. HHV High heating value). Zdaniem autora definiowanie sprawności ogniwa paliwowego w odniesieniu do wartości opałowej jest korzystniejsze ponieważ, pozwala na porównywanie jej wartości z innymi technologiami wytwarzania energii elektrycznej wykorzystującymi energię chemiczną paliwa, np. konwencjonalne bloki parowe, bloki gazowe i gazowo-parowe, silniki gazowe czy technologie wykorzystujące biomasę. Moc cieplną generowaną przez stos ogniw paliwowych można zdefiniować jako różnicę między mocą chemiczną dostarczoną do ogniwa a wytwarzaną mocą elektryczną: Q c Q P (3.9) ch gdzie: Q ch strumień energii chemicznej paliwa [W]. Wartość mocy cieplnej można obliczyć na podstawie różnicy między aktualnym napięciem komórki ogniwa paliwowego i potencjałem termoneutralnym E t. Et Qc nogniw I ( Et U ) Pel ( 1) (3.10) U gdzie: Q c moc cieplna generowana przez stos [W], I natężenie prądu elektrycznego [A], U napięcie stosu [V], P el moc elektryczna stosu [W], E t potencjał termoneutralny [V]. Ze względu na straty ciepła do otoczenia przez promieniowanie oraz straty ciepła związane z różnicą entalpii gazów (wodór, powietrze) doprowadzanych i odprowadzanych ze stosu ogniw, nie można wykorzystać 100 % ciepła wytworzonego przez stos ogniw paliwowych do celów użytecznych. W związku z powyższym wartość strumienia ciepła produkowanego przez stos należy pomniejszyć o wyżej wymienione straty - wzór 3.11. el 21

Q cu Q Q D c t (3.11) c p gdzie: Q cu strumień ciepła użytecznego [W], ΔQ suma strat ciepła, D przepływ masowy czynnika chłodzącego [kg/s], c p ciepło właściwe czynnika chłodzącego [kj/kgk], Δt - różnica temperatur czynnika chłodzącego na wejściu/wyjściu stosu. Q cu to strumień ciepła jaki został przekazany czynnikowi chłodzącemu. Wartość Q cu zależy od sposobu chłodzenia, rodzaju czynnika chłodzącego (woda, powietrze) i parametrów pracy stosu ogniw. Jeśli ciepło ma być wykorzystywane do celów użytecznych, stosuje się chłodzenie wodą. Istotne znaczenie w eksploatacji stosu ogniw paliwowych mają następujące parametry: zapotrzebowanie na wodór i tlen przy danym obciążeniu, strumień produkowanej wody oraz sprawność przetwarzania energii pierwotnej na elektryczną. Teoretyczną wartość objętościowego strumienia wodoru dostarczanego do kanałów anodowych można wyznaczyć za pomocą wzoru (3.12): V t H 3 22,42 I nogniw Ndm [ ] (3.12) 2 F 2 s gdzie: n ogniw liczba ogniw w stosie. Zasilanie stosu ogniw paliwowych gazem wymaga zastosowania współczynnika nadmiaru paliwa (λ H2 >1) w celu zagwarantowania właściwego rozprowadzenia wodoru po całej powierzchni anody. Dodatkowo część dostarczonego wodoru do systemu ogniw paliwowych jest tracona podczas pracy układu przepłukiwania kanałów anodowych [2,4,5] i nie bierze udziału w reakcji tworzenia wody. V (3.13) rz H 2 H 2 t VH 2 gdzie: rz V H 2 rzeczywista wartość strumienia wodoru, t V H 2 teoretyczna wartość strumienia wodoru. Rzeczywistą wartość objętościowego strumienia wodoru dostarczanego do kanałów anodowych systemu ogniw paliwowych można wyznaczyć za pomocą wzoru: V rz H 22,42 I n 3 ogniw H Ndm 2 [ ] 2 F 2 s (3.14) Stosunek wartości teoretycznego zapotrzebowania wodoru do wartości rzeczywistego strumienia jest nazywany sprawnością paliwową systemu ogniw paliwowych. pal V 1 (3.15) V t H 2 rz H 2 H 2 22

Objętościowy strumień powietrza dostarczanego do systemu ogniw paliwowych opisuje wzór: V rz pow 22,42 I n 3 ogniw pow Ndm [ ] (3.16) 0,21 4 F s Dostarczanie powietrza ze współczynnikiem nadmiaru lambda zdefiniowany jako stosunek ilości powietrza rzeczywiście dostarczanego w stosunku do teoretycznej ilości powietrza ma na celu zwiększenie dostępności tlenu w rejonach reakcji utleniania. V powrz pow (3.17) Vpow Strumień produkowanej wody przez pracujące ogniwo paliwowe ujmuje wzór: V I nogniw kg mh O [ ] (3.18) 2 F s H O 2 2 gdzie: m H2O masa molowa wody [g/mol]. Sprawność wytwarzania mocy elektrycznej stosu odniesioną do wartości opałowej paliwa można obliczyć z zależności: P el (3.19) V Q rz H 2 gdzie: η el sprawność elektryczna stosu, P moc elektryczna [W], Qw H2 wartość opałowa wodoru [MJ/ Nm 3 ] Sprawność wytwarzania mocy cieplnej stosu odniesioną do energii chemicznej paliwa można obliczyć z zależności: wh 2 Q Q (3.20) V cu rz H Q 2 wh 2 Na rysunku 3.5 przedstawiono podstawowe charakterystyki eksploatacyjne stosu ogniw paliwowych [31] tzn.: charakterystykę zewnętrzną stosu U = f(i), krzywą mocy elektrycznej w funkcji obciążenia prądowego P = f(i), sprawność wytwarzania mocy elektrycznej przez stos ogniw paliwowych η el = f(i), krzywą mocy cieplnej Q c(g) = f(i) wyznaczoną w odniesieniu do wartości opałowej wodoru (E t = 1,25 V), krzywą mocy cieplnej Q c(c) = f(i) wyznaczoną w odniesieniu do ciepła spalania wodoru (E t = 1,48 V). 23

Rys. 3.5. Produkcja mocy elektrycznej i cieplnej, sprawność w funkcji obciążenia [2] 3.4 Zastosowanie ogniw paliwowych w generacji rozproszonej Początkowo ogniwa paliwowe, ze względu na wysokie ceny i małą wydajność, znalazły zastosowanie w projektach kosmicznych. Pierwszy system ogniw paliwowych typu AFC o mocy 5 kw był stworzony w celu wykorzystania w modułach kosmicznych Apollo [83]. Obecnie technologia ogniw paliwowych cieszy się bardzo dużym zainteresowaniem. Istnieje szereg zastosowań tego źródła energii. W tabeli 3.4 przedstawiono podział ogniw paliwowych ze względu na ich przeznaczenie wg raportu sporządzonego przez Fuel Cell Today z roku 2012 [94]. Do ogniw, które znalazły zastosowanie, jako stacjonarne generatory energii należą ogniwa typu PEMC, PAFC, MCFC, SOFC [77]. Tabela 3.4. Zastosowanie ogniw paliwowych RODZAJ ZASTOSOWANIA Definicja STACJONARNE PRZENOŚNE TRANSPORT Jednostki produkujące energię elektryczną (i czasem ciepło) nie przeznaczone do przemieszczania Źródła energii dla urządzeń przenośnych (telefony komórkowe, laptopy itp.) Układy napędowe, przemysł motoryzacyjny Typowe zakresy mocy 0.5 kw do 400 kw 5 W do 20 kw 1 kw do 100 kw Typowe technologie PEMFC, PAFC, PEMFC, DMFC PEMFC, DMFC SOFC, MCFC Przykłady kogeneracyjne systemy stacjonarne (CHP), małe systemy kogeneracyjne (micro-chp), systemy UPS telefony komórkowe, laptopy itp., przenośne urządzenia wojskowe, Pojazdy elektryczne (FCEV), samochody ciężarowe i autobusy 24

Systemy stacjonarne wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w generacji rozproszonej budowane na bazie ogniw paliwowych wysokotemperaturowych MCFC i SOFC, często są zintegrowane z silnikiem cieplnym bądź turbiną gazową w celu zwiększenia sprawności przetwarzania energii pierwotnej na elektryczną. Do budowy generatorów stacjonarnych stosuje się także ogniwa typu PEMFC i PAFC. Generator PC-25 o mocy 200 kw, zbudowany w oparciu o technologie ogniw paliwowych z kwasem fosforowym PAFC był pierwszym komercyjnym urządzeniem wprowadzonym na rynek w 1992 roku. Jako paliwo stosowano gaz ziemny poddany reformingowi. Do 2001 roku wprowadzono liczne modyfikacje mające na celu wykorzystanie innych paliw, takich jak biogaz z oczyszczalni ścieków, odpady poprodukcyjne z browarów lub metanol będący odpadem z przemysłu elektronicznego. Mimo wysokiej ceny generatora kształtującej się na poziomie około 900 tysięcy dolarów, sprzedano około 300 sztuk różnych wariantów generatora. Producentami generatorów PC-25, które obecnie sprzedawane są pod nazwą PureCell 200, są współpracujące firmy Toshiba Corp. i UTC Fuel Cells (tabela 3.5). Tabela 3.5. Parametry techniczne generatora energii PC-25 [83] Moc 200 kw/235 kva Napięcie i częstotliwość prądu AC 480/227 V, 60 Hz, 3 fazy 400/230 V, 50 Hz, 3 fazy Zużycie paliwa gaz ziemny: 0,991 m 3 /min Sprawność elektryczna 37 %, cieplna 50 %, kogeneracyjna 87% Emisja zanieczyszczeń < 2 ppmv CO, < 1ppmv NO x Wyjściowa energia cieplna 263.8 kw dla temp. 60 C Hałas 50 dba w odległości 10 m Inne modułowa konstrukcja, możliwość pracy wewnątrz i na zewnątrz budynku Wielkość modułu głównego Moduł chłodzenia 3 x 3 x 5,5 m; 18 000 kg 1,2 x 4,2 x 1,2 m; 770 kg Te same firmy zbudowały największą na świecie siłownię o mocy 11 MW opartą na technologii ogniw paliwowych typu PAFC w Goi (Japonia) nad Zatoką Tokijską. Sprawność wytwarzania energii elektrycznej wynosi 41,8 % natomiast sprawność produkcji ciepła użytkowego 32,2 %. Czas wykorzystania mocy zainstalowanej przekroczył 9272 godziny. Przykładem kogeneracyjnej jednostki opartej na technologii ogniw MCFC jest produkt niemieckiej firmy MTU CFC Solutions o nazwie HotModule o mocy elektrycznej 250 kw zainstalowany w szpitalu Rhön-Klinikum w Bad Neustadt. Według producenta sprawność elektryczna modułu wynosi 47 %, przy sprawności elektrycznej ogniwa 55 % [13]. 25

Liderem budowy generatorów stacjonarnych na bazie ogniw SOFC jest konsorcjum Siemens Westinghouse, którego prototypowe ogniwo o mocy 100 kw przepracowało w latach 1998-2000 ponad 12600 godzin w sposób bezprzerwowy, przy sprawności elektrycznej równej 46 % i całkowitej o wartości ok. 75 % natomiast ogniwo o mocy 220 kw zintegrowane z turbiną gazową (SOFC/TG) pracuje w pierwszej na świecie, prototypowej instalacji tego typu w Kalifornii. Zastosowanie turbiny gazowej podnosi sprawność wytwarzania mocy elektrycznej o 10 15 % [13] Prace nad przystosowaniem ogniwa SOFC do zasilania domku jednorodzinnego prowadzi szwajcarska firma Hexis AG, której pilotażowe instalacje HXS 1000 Premiere składające się z ogniwa SOFC o wartości mocy elektrycznej 1 kw, mocy cieplnej 2.5 kw i temperaturze pracy od 900 C do 950 C oraz palnika gazowego o mocy 12 kw, 16 kw lub 22 kw, w zależności od szczytowego zapotrzebowania na ciepło budynku, przepracowały łącznie 1,5 mln godzin w 110 domach. Obecnie firma oferuje system o nazwie Galileo 1000 N. System różni się od poprzedniego wartością mocy palnika gazowego, która wynosi 20 kw [13]. Przykładem zastosowania ogniw paliwowych z membraną polimerową PEMFC w domowym generatorze energii jest mała przydomowa elektrociepłownia firm Tokyo Gas i Panasonic o nazwie Ene Farm. System charakteryzuje się wysoką energooszczędnością, sprawnością wytwarzania energii elektrycznej 40 % i ciepła 50 % oraz niewielką przestrzenią instalacyjną. W wyniku trzęsienia Ziemi, które nawiedziło Japonię w 2011 roku i spowodowało katastrofę elektrowni jądrowej Fukushima, nastąpił szybki wzrost sprzedaży systemu Ene Farm na terenie tego kraju. Obecnie w Japonii zainstalowanych jest ponad 20 tysięcy jednostek. W generatorze Ene Farm gaz ziemny poddawany jest procesowi reformingu. Otrzymany wodór zasila stos ogniw paliwowych. Nowa generacja generatorów firm Panasonic i Tokyo Gas cechuje się zwiększoną niezawodnością pracy oraz mniejszymi gabarytami, dzięki czemu cena systemu spadła o blisko 43% w przeciągu 4 lat od wprowadzenia do sprzedaży. Początkowy koszt modułu pierwszej generacji wyniósł ok. 119 000 PLN (w cenie nie uwzględniono kosztów instalacji urządzenia), podczas gdy najnowszy model generatora Ene Farm kosztuje 68 500 PLN. Według producenta obecnie produkowana konstrukcja może pracować niezawodnie przez 60 000 godzin [94]. W tabeli 3.6 przedstawiono specyfikację techniczną najnowszej wersji modułu i jej poprzednika Ene Farm. 26

Tabela 3.6. Specyfikacja systemu Ene Farm [94] Nowy moduł Poprzedni moduł Data premiery 1 kwietnia 2011 r. 1 maja 2009 r. Wydajność moc wyjściowa generowana 250 W 750 W 300 W 1 kw sprawność elektryczna 40 % 37 % sprawność cieplna 50 % 52 % pojemność zbiornika na wodę 200 litrów 200 litrów Wymiary ogniwo paliwowe W x S x D: W x S x D: 1683x315x450 860x780x400 zbiornik gorącej wody W x S x D: 1683x750x450 W x S x D: 1683x750x450 Waga ogniwo paliwowe 100 kg 125 kg zbiornik gorącej wody 125 kg 125 kg Obszar instalacji ok. 2 m 2 ok. 3.9 m 2 Zalecana cena detaliczna (bez instalacji) 68 500 PLN 120 000 PLN Konserwacja 10 lat 40 000 godzin generowania pracy W roku 2003 wdrożony został w Polsce pierwszy system zasilania awaryjnego o nazwie PULSTAR firmy APS Energia S.A., która jest wiodącym producentem i dostawcą przemysłowych systemów zasilania awaryjnego UPS na rynku polskim. System zbudowany jest na bazie ogniw paliwowych z jonowymienną membraną polimerową typu PEMFC o mocy elektrycznej 1,2 kw. Zainstalowane przetwornice DC/DC oraz falowniki umożliwiają zasilanie odbiorników zarówno stało jak i zmiennoprądowych. Modułowa budowa pozwala na łatwe dopasowanie systemu do indywidualnych wymagań odbiorcy. Według producenta system zapewnia ciągła pracę przy obciążeniu 1 kw przez 8 godzin [91]. Eksploatowane są także instalacje pilotażowe hybrydowych systemów wytwórczych, w których ogniwo paliwowe współpracuje ze elektrowniami wiatrowymi lub ogniwami fotowoltaicznymi. 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. Koszt budowy elektrowni wyniósł ponad 21 milionów [93]. 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 [94]. 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 27

wiatrowe o mocy 10 kw i 100 kw oraz system solarny o mocy znamionowej 10 kw współpracują z ogniwem paliwowym o mocy 5 kw [95]. Podsumowując, obecnie na rynku są dostępne komercyjne rozwiązania generatorów stacjonarnych zbudowanych na bazie ogniw paliwowych. Celem prowadzonych obecnie na świecie badań są obniżenie wysokiej ceny jednostkowej oraz zwiększenie liczby godzin niezawodnej pracy (tzw. cyklu życia ang. life-cycle) ogniw paliwowych. W tabeli 3.7 przedstawiono przybliżone koszty technologii ogniw paliwowych [13]. Tabela 3.7. Przybliżone koszty technologii ogniw paliwowych Typ ogniwa Zakres mocy Koszt technologii [USD/kW] PEMFC 1 kw 10 kw 5 000 250 kw 20 000 PAFC 200 kw 1 MW 3 500 MCFC 250 kw 1 MW 3000 4000 SOFC 1 kw 250 kw 10 000 20 000 28

4. PRZEMYSŁOWE METODY PRODUKCJI WODORU 4.1 Wstęp Wodór na skalę przemysłową otrzymuje się z surowców wysoce uwodornionych, takich jak węglowodory, węgiel, woda. Według prac [74, 81] 96 % wodoru produkuje się z paliw kopalnych. Pozostałe 4 % wodoru jest wytwarzane w procesie elektrolizy wody. Najpopularniejsze metody pozyskiwania tego paliwa to reforming parowy gazu ziemnego, niepełne utlenianie węglowodorów i zgazowanie węgla. Technologie te są uzależnione od paliw kopalnych i skutkują zużyciem większej ilości energii, niż można uzyskać z wyprodukowanego wodoru i właściwie takim samym zanieczyszczeniem środowiska poprzez emisję niepożądanego CO 2 [81, 84]. Do perspektywicznych metod produkcji wodoru dla celów energetycznych można zaliczyć elektrolizę wody z wykorzystaniem energii elektrycznej do zasilania elektrolizerów pochodzącej ze źródeł nieemitujących gazy cieplarniane takich jak technologie odnawialne: energetyka wiatrowa, wodna, fotowoltaika [56], zgazowanie biomasy [81] lub energii elektrycznej pochodzącej z bloków jądrowych w okresach małego zapotrzebowania na wytwarzaną w nich energię. Najbardziej preferowaną metodą wytwarzania wodoru dla ogniw paliwowych jest elektroliza wody ze względu na następujące cechy: krótki czas rozruchu aparatury, łatwość jej obsługi, wysoka czystość wyprodukowanego wodoru, wymagana do pracy ogniw paliwowych. W tabeli 4.1 przedstawiono wpływ wybranych substancji, które mogą się znaleźć w gazie zasilającym ogniwo paliwowe na jego pracę. Tlenek węgla CO jest szkodliwy dla ogniw nisko i średniotemperaturowych ze względu na blokowanie centrów katalitycznych platyny, natomiast dla ogniw wysokotemperaturowych gaz ten jest wartościowym paliwem [83]. Tabela 4.1. Wpływ wybranych substancji w paliwie na działanie ogniwa paliwowego Składnik PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC H 2 Paliwo Paliwo Paliwo Paliwo Paliwo CO Szkodliwy Szkodliwy Szkodliwy Paliwo Paliwo (> 50 ppm) (> 0,5 %) CH 4 Obojętny Szkodliwy Obojętny Obojętny Paliwo CO 2 Obojętny Szkodliwy Obojętny Obojętny Obojętny S jako H 2 S i COS - Szkodliwy Szkodliwy (> 50 ppm) Szkodliwy (> 0,5 ppm) Szkodliwy (> 1,0 ppm) 29

4.2 Elektroliza wody Najprostszą metodą otrzymywania wodoru o bardzo wysokiej czystości (>99,99%) jest elektroliza [83, 86]. Jest to proces elektrochemiczny polegający na rozkładzie elektrolitu przy pomocy prądu stałego przepływającego przez elektrolit pomiędzy elektrodami. Do produkcji wodoru wykorzystuje się elektrolizery. Dodatkowo wytwarzanie wodoru daje szerokie możliwości magazynowania energii np. w postaci paliwa gazowego w butlach ciśnieniowych lub wodorkach metali. Podobnie jak w przypadku ogniw paliwowych za kryterium podziału elektrolizerów przyjęto rodzaj zastosowanych do budowy elektrod i elektrolitu. Elektrolizery typu PEMEC (ang. Proton Exchange Membrane Electrolyser) cechuje prosta i kompaktowa budowa. Centralnym składnikiem, podobnie jak w przypadku ogniw paliwowych tego typu, jest przewodząca protony membrana polimerowa pokryta warstwami katalizatora (elektrodami) na obu stronach. Elektrolizer rozkłada wodę na wodór i tlen po przyłożeniu do jego elektrod napięcia o wartości większej od napięcia rozkładowego wody równego 1,23 V według następujących reakcji (na anodzie, na katodzie, sumaryczna): 2H O 4H 4e 2 O 2 4H 4e 2H 2 (4.1) (4.2) 2H (4.3) 2O 2H 2 O2 Na anodzie elektrolizera woda ulega rozkładowi w wyniku czego powstają: tlen, jony H + i wolne elektrony. Gazowy tlen może być odbierany bezpośrednio z anody. Protony migrują przez membranę przewodzącą do katody, gdzie są redukowane do wodoru. Konieczne do tego elektrony są dostarczane z zewnętrznego obwodu. Elektroliza prowadzona jest w temperaturze od 70 C do 80 C. Sprawność elektrolizerów PEMEC wynosi ok. 85%. W elektrolizerach alkaicznych AEC (ang. Alkaline Electrolyser) rolę elektrolitu pełnią roztwory KOH i NaOH. Proces prowadzony jest w temperaturze od 70 C do 80 C pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze 90 C do 100 C w elektrolizerach ciśnieniowych. Elektrolizer alkaliczny składa się z dwóch metalowych elektrod zawieszonych w wodnym roztworze elektrolitu. Podczas przepływu prądu na anodzie wydziela się tlen, a na katodzie wodór według reakcji (na anodzie, na katodzie, sumaryczna): 4OH O2 2H 2O 4e (4.4) 2H 2 O 2e H 2 2OH (4.5) 2H (4.6) 2O 2H 2 2O2 30

Elektrolizery alkaliczne obecnie są komercyjnie dostępne w szerokim zakresie mocy od 10 kw do 1 MW. W tabeli 4.2 przedstawiono podstawowe parametry pracy wybranych elektrolizerów [83]. Tabela 4.2. Parametry pracy wybranych elektrolizerów Producent Electrolyzer Norsk Hydro Lurgi ABB G.E s SPE Corp. Ltd. A.S. GmBH Typ elektrolizera monopolarny bipolarny bipolarny bipolarny bipolarny Ciśnienie robocze atmosferyczne atmosferyczne 3,2 MPa 2 MPa 0,4 MPa Elektrolit alkaliczny alkaliczny alkaliczny polimerowy polimerowy Skład elektrolitu 28 % KOH 25 % KOH 25 % KOH nafion nafion Temperatura 70 80 90 80 80 pracy [ C] Gęstość prądu 1340 1750 2000 7000 5000 [A/m 2 ] Napięcie pracy [V] 1,90 1,75 1,86 1,65 1,70 Czystość O 2 [%] 99,7 99,3-99,7 99,3-99,5 > 99,5 > 98,0 Czystość H 2 [%] 99,9 99,8-99,9 99,8-99,9 > 99,8 >99,0 Zapotrzebowanie na energię [kwh/m 3 ] 4,6 4,3 4,5 4,0 4,1 Kolejną technologią produkcji wodoru jest wykorzystanie odwracalności stałotlenkowych ogniw paliwowych typu SOFC w procesie elektrolizy wysokotemperaturowej. Elektrolitem w wysokotemperaturowych elektrolizerach parowych SOEC (ang. Solid Oxide Electrolyser) jest membrana ceramiczna, zazwyczaj wykonana z tlenu cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru, przewodząca jony tlenkowe O 2-. Woda doprowadza jest w stanie pary do przedziału katodowego elektrolizera, gdzie w wyniku reakcji elektrodowej odrywany jest od niej tlen: H (4.7) 2 2O 2e H 2 O Tlen w postaci jonów tlenkowych transportowany jest przez membranę do anody elektrolizera, gdzie w wyniku reakcji elektroredukcji powstaje tlen atomowy: 2 O 1 2O2 2e (4.8) Po wyprowadzeniu z przedziału katodowego mieszaniny pary wodnej z wodorem i po wykropleniu pary otrzymuje się czysty wodór. Temperatura elektrolizy wynosi od 850 C do 1000 C. Proces elektrolizy zachodzący w wysokich temperaturach wymaga dużo mniejszych nakładów energetycznych oraz umożliwia wykorzystanie energii cieplnej, co powoduje znaczne zwiększenie sprawności układu. Przykładem jest zrealizowany w 1975 roku 31

niemiecki projekt Hot Elly. Parametry robocze elektrolizera SOEC o konstrukcji tabularnej miały następujące wartości: temperatura 900 C, ciśnienie gazów 2 MPa, napięcie 1,3 V, gęstość prądu 0,4 A/cm 2. Sprawność produkcji wodoru wynosiła 38 42 %. Wysokotemperaturowa elektroliza jest stale badana i rozwijana przez światowe ośrodki badawcze, które opracowują coraz to sprawniejsze, prototypowe układy wytwarzania wodoru z elektrolizerem typu SOEC [83]. 4.3 Reforming parowy węglowodorów Najczęściej wykorzystywanym surowcem do produkcji wodoru jest gaz ziemny, poddawany procesowi reformingu parowego [20]. Proces ten polega na przemianie związków węglowodorowych w temperaturze o wartości powyżej 500 C w obecności katalizatora niklowego Ni/Al 2 O 3, który umieszczany jest w pionowych rurach pieca gazowego. Wartość temperatury gazów doprowadzanych do złoża katalizatora wynosi od 450 C do 650 C, natomiast gazów wylotowych od 700 C do 950 C. Reformery budowane są do konkretnych zastosowań, dlatego też ich wydajność jest różna i waha się w granicach od 100 m 3 /h do 100 000 m 3 /h. Dominującymi reakcjami zachodzącymi podczas przebiegu procesu są reakcja reformingu metanu oraz reakcja gazu wodnego: CH 4 H 2O CO 3H 2 H 2O CO2 H 2 ; H 0 206kJ 298 / mol (4.9) CO ; H 0 298 41kJ / mol (4.10) Reakcja ogólna reformingu węglowodorów nasyconych ma postać: C n H 2n 2 nh 2O nco ( 2n 1) H 2 (4.11) Innymi surowcami poddawanymi procesowi reformingu są: gaz ziemny, LPG, benzyna, alkohole (metanol, etanol). Bardzo niski poziom zawartości siarki S w alkoholach skutkuje brakiem konieczności wyposażania generatora wodoru w kosztowne układy odsiarczania. Reforming metanolu odbywa się w temperaturze od 200 C do 300 C w obecności katalizatora miedzianego wchodzącego w skład mieszaniny z tlenkami innych metali, np. Cu/ZnO lub Cu/ZnO/Al 2 O 3. CH 3OH H 2O CO2 3H 2 ; H 0 49kJ 298 / mol (4.12) W porównaniu z reformingiem metanu zawartość tlenku węgla CO, będąca wynikiem szybkiej reakcji (CO+H2O) w otrzymanym gazie jest znacznie niższa. Z tych względów proces reformingu metanolu jest szczególnie korzystny dla małych reformerów, które służą do zasilania urządzeń przenośnych z ogniwami paliwowymi, ponieważ pozwala sprostać rygorystycznym wymaganiom czystości paliwa wodorowego stawianym przez ogniwa niskotemperaturowe (tabela 4.1). 32

Prowadzone są również badania nad reformingiem etanolu: C 2H 5OH 3H 2O 2CO2 6 H2 ; H 0 174kJ 298 / mol (4.13) Pełną konwersję można przeprowadzić w temperaturze ok. 400 C dla katalizatora Co/Al 2 O 3 i Co/SiO 2 [74, 83]. 4.4 Częściowe utlenianie węglowodorów Reakcja częściowego utleniania paliw węglowodorowych takich jak metan i wyższe węglowodory nazywana jest półspalaniem. CH 1 4 2O CO2 2H 2 ; H 0 298 247kJ / mol (4.14) Półspalaniu paliw węglowodorowych towarzyszą reakcje: 4.15, 4.16, 4.17, których produktem jest woda. Wykorzystując reakcję gazu wodnego i proces reformingu można wykorzystać ten produkt do dalszej produkcji wodoru. CH 4 O2 CO H 2O H 2 ; H 0 298 278kJ / mol (4.15) CH 4 3 2O2 CO 2H 2O ; H 0 298 519kJ / mol (4.16) CH 4 2O2 CO2 2H 2O ; H 0 298 802kJ / mol (4.17) W porównaniu do reformerów, reaktory realizujące proces półspalania charakteryzują się krótszym czasem rozruchu oraz łatwością kontroli przy szybkim dostosowywaniu reaktora do chwilowego zapotrzebowania na wodór. Wadą jest natomiast mniejsza wydajność produkcji wodoru niż w przypadku reformingu (reakcje 4.9 i 4.10) dlatego obie metody stosowane są zamiennie w zależności od wymagań stawianych generatorowi wodoru. Półspalanie może być przeprowadzone w sposób bezkataliczny przy wysokiej wartości temperatury w zakresie od 1300 C do 1500 C lub przy zastosowaniu katalizatorów takich jak metale szlachetne (platyna - Pt, pallad - Pd, rod - Rh,) lub metale przejściowe (nikiel - Ni, miedź - Cu, żelazo - Fe lub kobalt - Co) przy wartości temperatury w zakresie od 450 C do 850 C, w zależności od zastosowanego katalizatora. Komercyjne technologie (Texaco, Stell, Montecatini) charakteryzują się bezkatalitycznym prowadzeniem półspalania. Procesowi częściowego utleniania można także poddać ciężkie węglowodory zgodnie z równaniem: C H n m O nco H (4.18) n 2 2 m 2 2 33

4.5 Zgazowanie paliw stałych Metoda parowego zgazowania paliw stałych polega na oddziaływaniu na nie parą wodną w wysokiej temperaturze od 1000 C do 1200 C. Reakcja ta została przedstawiona we wzorze 4.19. C H O CO ; H 0 131kJ 298 / mol (4.19) 2 H 2 Równolegle do reakcji w reaktorze zachodzą reakcje 4.20, 4.21, 4.22, 4.23: C 2 2 1 O CO ; H 0 298 111kJ / mol (4.20) C O 2 CO 2 ; H 0 298 394kJ / mol (4.21) 3C 2H O 2CO ; H 0 186kJ 298 / mol (4.22) 2 CH 4 2C 2H ; H 0 12kJ 298 / mol (4.23) 2O CO2 CH 4 Proces spalania (4.20 i 4.21) realizowany jest w tej samej części reaktora, w której zachodzi proces zgazowania (4.19, 4.22, 4.23), w celu zrównoważenia reakcji endotermicznych i egzotermicznych, aby nie zachodziła konieczność odbierania lub dostarczania ciepła od lub do reaktora. Przebieg procesu zgazowania zależy w dużej mierze od właściwości wsadu węglowego oraz typu reaktora (ze złożem stałym, fluidalny lub strumieniowy). Powstały gaz poddawany jest konwersji przy użyciu pary wodnej w obecności katalizatora Fe 2 O 3 /Cr 2 O 3 w temperaturze 300 450 C wg reakcji: CO H (4.24) 2 H 2O CO2 2H 2 Do wymycia CO 2 stosuje się wodę pod ciśnieniem oraz roztwór NaOH [74]. W wyniku prowadzenia intensywnych badań nad procesem zgazowania, ukierunkowanych na przemysłowe zastosowania gazu syntezowego jak m.in. bloki IGCC (ang. Integrated Gasification Combined Cycle), procesy chemiczne produkcji amoniaku i metanolu oraz paliw syntetycznych, na rynku pojawił się szereg komercyjnych technologii zgazowania. W tabeli 4.3 przedstawiono porównanie komercyjnych reaktorów zgazowania węgla i składu otrzymywanego gazu różnych producentów [83]. Alternatywą dla zgazowania węgla jest zgazowanie biomasy. Dodatkową zaletą produkcji wodoru w procesie zgazowania biomasy jest przemiana paliw o małej wartości opałowej w tzw. paliwa szlachetne, z których można otrzymać energię elektryczną ze znacznie większą sprawnością. Czynnikami wpływający na procentowy skład powstającego gazu są: rodzaj biomasy poddanej procesowi zgazowania, wartości temperatury i ciśnienia w procesie 34

zgazowania, rodzaj czynnika zgazowującego oraz typ gazyfikatora. W tabeli 4.4 przedstawiono zakres zmienności podstawowych składników gazu [72, 83]. Tabela 4.3. Porównanie charakterystyk komercyjnych reaktorów zgazowania węgla. Parametry procesu Texaco British Gas Shell Dow Typ reaktora strumieniowy złoże ruchome strumieniowy strumieniowy Ciśnienie [MPa] 1-3 1-3 2-7 2-7 Temperatura [ C] 1600 1800 1800 1800 Względny skład wejściowy [kg] Węgiel Tlen Para wodna 1,0 0,736 0,776 1,0 0,441 0,272 1,0 0,638 0,026 1,0 0,634 0,667 Skład szlamu węglowego [% wag. suchego składnika] 56,3 - - 60,0 Skład gazu [% obj.] CO H 2 CO 2 CH 4 Inne składniki gazowe 38,79 34,60 25,99 0,0 0,63 63,09 25,07 3,20 5,27 3,37 66,31 27,03 1,55 0,02 5,09 43,39 37,33 17,39 0,17 2,72 Wartość opałowa [MJ/m 3 ] Sprawność energetyczna konwersji Zalety Wady 8,81 12,54 11,19 9,63 68,3 91,4 82,9 68,5 Dojrzała technologia Niska efektywność Wysoka efektywność Niska tolerancja na uziarnienie węgla, substancje smoliste Dobra efektywność Konieczne: lepsza jakość węgla, suszenie węgla Niska efektywność Tabela 4.4. Przykładowy skład gazu z procesu zgazowania biomasy. Składnik gazu Zawartość CO 10 22 % H 2 10 21 % CO 2 8 13 % CH 4 1 5 % C n H m 1 16 % N 2 23 65 % Cząstki stałe 20 3 000 mg/m 3 Zanieczyszczenia smoliste 10 150 000 mg/m 3 35

4.6 Podsumowanie technologii wytwarzania wodoru W tabeli 4.5 przedstawiono efektywność wytwarzania wodoru w procesie elektrolizy wody, gazyfikacji węgla oraz reformingu metanu [74]. Elektroliza wody jest obecnie technologią najdroższą. W porównaniu do reformingu oraz gazyfikacji nie emituje jednak CO 2 i charakteryzuje się najmniejszą uciążliwością dla środowiska. Tabela 4.5. Porównanie efektywności wytwarzania wodoru. Parametr Reforming parowy Gazyfikacja węgla Elektroliza wody Surowiec gaz ziemny węgiel woda Sprawność cieplna % 78,5 63,2 27,2 Produkty uboczne para siarka tlen Względne koszty inwestycyjne 1,00 3,43 1,43 Względne koszty produkcji 1,00 2,11 3,19 Miejsce w rankingu 1 2 3 Ze względu na obecnie najwyższy koszt produkcji wodoru w procesie elektrolizy należy zakładać, że w okresie zmiany struktury scentralizowanego sektora wytwórczego opartego na źródłach konwencjonalnych w system elektroenergetyczny zrównoważony, w mniejszym stopniu uzależniony od paliw kopalnych, a w większym oparty na zróżnicowanych nośnikach energii nie powodujących zanieczyszczeń, w szczególności na źródłach energii odnawialnej, to węglowodory będą głównym źródłem wodoru dla instalacji rozproszonych opartych na ogniwach paliwowych. W tabeli 4.6 przedstawiono prognozę kosztów produkcji wodoru w Stanach Zjednoczonych na rok 2020 rok według Międzynarodowej Agencji Energetyki IEA (ang. International Energy Agency) [81]. Tabela 4.6. Prognozowane koszty wytwarzania wodoru na rok 2020 wg IEA. Perspektywiczne metody produkcji wodoru Koszt USD/GJ Reforming gazu ziemnego z sekwestracją CO 2 7-11 Zgazowanie węgla z sekwestracją CO 2 8-11 Gazyfikacja biomasy 10-18 Elektroliza przy zasilaniu z siłowni wiatrowej na lądzie 17-23 Elektroliza przy zasilaniu z siłowni wiatrowej na morzu 22-30 Elektroliza przy zasilaniu z siłowni heliotermicznej 27-35 Elektroliza przy zasilaniu z instalacji fotowoltaciznej 47-75 Elektroliza przy zasilaniu z siłowni jądrowych 15-20 36

Obecnie koszty produkcji wodoru są szacowane na 3-5 USD/GJ i 6-8 USD/GJ przy stosowaniu jako surowców odpowiednio gazu ziemnego i paliw naftowych. Wysokie koszty technologii odnawialnych są spowodowane stosunkowo małą gęstością energii w porównaniu z gęstością energii zawartej w węglowodorach. Mimo znacznie niższych kosztów produkcji wodoru z paliw węglowodorowych należy zwrócić uwagę na następujące fakty: wykorzystywanie paliw konwencjonalnych do produkcji wodoru nie rozwiązuje problemu uniezależnienia się od nich, a przez to nie powoduje zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego, wykorzystanie paliw kopalnych do produkcji wodoru powoduje emisję CO 2 (np. w procesie reformingu parowego metanu na 1 kg wodoru powstaje 13,7 kg CO 2 ) [74]. Do czystych technologii produkcji wodoru należą: gazyfikacja biomasy, elektroliza wody, przy zasilaniu elektrolizerów energią wyprodukowaną w źródłach odnawialnych. W literaturze można znaleźć także informacje o metodach produkcji wodoru, które obecnie są w fazie badań. Metody te nie zostały opisane w niniejszej rozprawie. Do najbardziej popularnych i najczęściej przedstawianych nowych propozycji produkcji wodoru należą: termochemiczna dysocjacja węglowodorów, termochemiczny lub fotochemiczny rozkład siarkowodoru, termochemiczny rozkład wody, metody biologiczne. Informacje na temat wyżej wymienionych metod można znaleźć w publikacjach [17, 18, 74, 83]. 37

5. BADANIA EKSPLOATACYJNE STOSU OGNIW PALIWOWYCH TYPU PEMFC 5.1 Wstęp W niniejszym rozdziale przedstawione będą wyniki badań przeprowadzonych przez autora na stosie ogniw paliwowych typu PEM o mocy 300 watów firmy Inhouse Engineering. W rozdziale zaprezentowano także wyniki badań nad współpracą ogniwa paliwowego typu PEM z turbiną wiatrową i ogniwem fotowoltaicznym w hybrydowym systemie wytwórczym. 5.2 Badania eksploatacyjne stosu PEMFC o mocy 300 W 5.2.1 Stanowisko badawcze Badany stos ogniw paliwowych typu PEMFC został przedstawiony na rysunku 5.1. Parametry badanego stosu mają następujące wartości: moc znamionowa 300 W, napięcie jałowe pojedynczego ogniwa 0.9 V, nominalna temperatura pracy 60 C, liczba ogniw 5. Odbiornikiem wytwarzanej energii elektrycznej przez stos w czasie wykonywania pomiarów było obciążenie elektroniczne DC-LOAD pozwalające na płynną regulację wartości natężenia prądu w zakresie od 0 do 60 amperów. Stos zasilano wodorem zmagazynowanym w butlach pod ciśnieniem 20 MPa (rysunek 5.2). Ze względu na lata eksploatacji moc osiągalna badanego stosu wynosiła 160 watów. Przebadano dynamikę pracy stosu oraz dokonano analizy wpływu czynników takich jak temperatura pracy ogniwa, przepłukiwanie kanałów anodowych (ang. purge), strumień powietrza dostarczanego do katody na parametry pracy stosu ogniw PEMFC. Wyznaczono charakterystykę zewnętrzną stosu oraz oszacowano sprawność elektryczną badanego systemu. 38

Rys. 5.1. Stos ogniw paliwowych typu PEMFC Rys. 5.2 Butle z wodorem zainstalowane na terenie Uniwersytetu im. Otto von Guericke w Magdeburgu 39

5.2.2 Rozruch i praca stosu ogniw paliwowych Proces rozruchu składa się z następujących czynności: uruchomienie pompy wody chłodzącej pracujący stos ogniw paliwowych typu PEM, otwarcie zaworu na przewodach doprowadzających wodór do kanałów anodowych, uruchomienie kompresora powietrza w celu dostarczenia utleniacza do kanałów katodowych, stopniowe zwiększanie wartości prądu obciążenia. Systemy ogniw paliwowych typu PEMFC oparte na reformingu paliwa wymagają czasu na rozruch do dwóch godzin w celu osiągnięcia nominalnej wartości temperatury pracy reformatora. Natomiast systemy zasilane bezpośrednio czystym wodorem wymagają kilku minut od momentu uruchomienia, ale nie powinny pracować przy pełnym obciążeniu, aż do uzyskania znamionowej wartości temperatury pracy tj. 50 70 C w przypadku ogniw paliwowych typu PEMFC [8, 10]. Na rysunku 5.3 przedstawiono przebiegi zarejestrowanego napięcia i prądu podczas pracy stosu. Po czasie równym 15 minut ogniwo pracowało z mocą osiągalną 150 watów. Następnie pomiary przeprowadzono, w różnych punktach odcinka prostego charakterystyki zewnętrznej U = f(i) tzn. w obszarze strat omowych stosu ogniw paliwowych. Rejestrowane napięcie jest sumą algebraiczną napięć wszystkich pięciu pojedynczych ogniw. Po zakończeniu próby i odstawieniu stosu ogniw paliwowych kanały anodowe są czyszczone azotem w celu zatrzymania zachodzenia reakcji elektrochemicznych. Rys. 5.3 Przebiegi rejestrowanego napięcia i natężenia prądu badanego stosu ogniw paliwowych 40

Rysunek 5.4 przedstawia przebieg generowanej mocy w czasie o odpowiadające jej zużycie wodoru. Widoczne piki na zarejestrowanym przebiegu zużytego wodoru są efektem automatyki systemu ogniw PEMFC, która wykonuje tzw. przepłukiwanie anody. Rys. 5.4 Przebiegi generowanej mocy i zużywanego wodoru w badanym stosie 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, którego otwarcie powoduje zassanie wodoru i czyszczenie kanałów anodowych. Zużycie wodoru jest proporcjonalne do wartości natężenia prądu generowanego przez stos zgodnie z zależnością 3.14. Przykładowo stos oddając moc o wartości 156 W (w chwili t = 1500 s), pracuje w punkcie charakterystyki U = f(i) o współrzędnych U = 3,17 V i I = 49,2 A i zużywa wodór w ilości 0,029 Ndm 3 /s. Sprawność wytwarzania mocy elektrycznej badanego stosu odniesiona do wartości opałowej wodoru (wzór 3.19) wynosi 50 %. Badany stos pracując przy obciążeniu równym 156 W, zużywa 0,029 Ndm 3 /s wodoru i generuje 0,083 kg wody w czasie jednej godziny pracy, (rys 5.5). 41

Rys. 5.5. Woda produkowana podczas pracy stosu ogniw paliwowych typu PEMFC 5.2.3 Wyznaczanie charakterystyki zewnętrznej stosu Pomiary mające na celu wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej stosu należy przeprowadzić przy stałej wartości temperatury pracy stosu. Ciepło wytwarzane podczas pracy stosu jest wystarczające do utrzymania temperatury pracy, a jego nadmiar jest usuwany lub wykorzystywany do celów grzewczych, w takim stopniu, aby wartość temperatury pracy systemu była stała. Na wykresie 5.6 pokazano przebieg wartości temperatury pracy ogniwa i mocy generowanej. Pomiary wykonano po osiągnięciu przez stos nominalnej temperatury pracy równej 60 ºC po czasie pracy 1 godziny. Rysunek 5.7 przedstawia zarejestrowane wartości napięcia i prądu badanego stosu. Istotne znaczenie podczas wyznaczania charakterystyki zewnętrznej stosu ogniw paliwowych ma zastosowanie układu przepłukiwania anody opisany w poprzednim rozdziale. Przeprowadzanie pomiarów bez przepłukiwania anody, może spowodować utratę przewodności jonowej w czasie pracy, co będzie skutkowało spadkiem wartości natężenia generowanego prądu, a to spowoduje zniekształcenie charakterystyki zewnętrznej stosu i uzyskanie fałszywych rezultatów. Na rysunku 5.8 przedstawiono wyznaczoną charakterystykę zewnętrzną i odpowiadającą jej krzywą mocy. Charakterystyki zostały wyznaczone dla nominalnej temperatury pracy stosu. Pomiary zostały wykonane dla dwóch obszarów tj. dla obszaru strat aktywacji i obszaru strat omowych. W obszarze strat transportu masy nie wykonywano pomiarów, ponieważ obciążanie stosu największymi prądami nie jest zalecane gdyż skraca jego żywotność. 42

Rys. 5.6. Przebiegi czasowe mocy i temperatury badanego stosu Rys. 5.7. Przebiegi czasowe napięcia i prądu badanego stosu 43

Rys. 5.8. Charakterystyka zewnętrzna i krzywa mocy stosu 5.2.4 Wpływ temperatury pracy stosu na wartość generowanego napięcia Zgodnie z równaniem 3.5 wartość temperatury pracy wpływa na wartość napięcia generowanego przez ogniwo przy stałej wartości natężenia generowanego prądu. Dla obciążenia prądowego o wartości 60 amperów, dokonano pomiaru wartości generowanego napięcia przy trzech różnych wartościach temperatury pracy stosu tj. 60 C, 50 C, i 40 C (rysunek 5.9). Rys. 5.9. Przebiegi czasowe temperatury pracy stosu i generowanego napięcia 44

Ze względu na fluktuacje mierzonego napięcia obliczono jego wartości średnie. Na wykresie 5.10 porównano wartości średnie napięcia dla trzech rozpatrywanych wartości temperatury pracy. Rys. 5.10. Wpływ temperatury pracy na wartość średnią napięcia generowanego przez stos Przyrost napięcia przy wzroście wartości temperatury pracy stosu o 10 C jest pomijalnie mały i wynosi od 0,01 V do 0,03 V. Małą zmianę napięcia należy wytłumaczyć ilością tylko pięciu celek wchodzących w skład badanego stosu. Efekt wpływu zmiany temperatury na generowane napięcie jest większy w przypadku stosów zbudowanych z większej liczby pojedynczych ogniw, o większej wartości mocy znamionowej, rzędu kilowatów. W celu zaprezentowanie zmiany wartości napięcia w wyniku zmiany temperatury pracy stosu posłużono się symulacją komputerową. Na podstawie modelu ogniwa paliwowego typu PEMFC o mocy 1,26 kw zamieszczonego w bibliotece simpowersystem środowiska Matlab/Simlulink opracowano i porównano charakterystyki zewnętrzne dla trzech wartości temperatury pracy 45 C, 55 C i 65 C. Zamodelowany układ pomiarowy zaprezentowano na rysunku 5.11 a wyniki badań symulacyjnych na rysunku 5.12. 45

Rys. 5.11. Model ogniwa paliwowego PEMFC i układu pomiarowego w środowisku Matlab/Simulink Rys. 5.12. Wpływ temperatury pracy ogniwa na charakterystykę zewnętrzną Przy obniżonej temperaturze pracy zwiększają się starty aktywacyjne. Charakterystyka napięciowo prądowa jest przesunięta w dół, względem charakterystyki przy nominalnej wartości temperatury. Z kolei podniesiona temperatura pracy ogniwa wpływa na zmniejszenie polaryzacji aktywacyjnej. Charakterystyka przesuwa się w górę względem charakterystyki dla temperatury znamionowej. Należy pamiętać, że zbyt wysoka temperatura spowoduje wyschnięcie membrany, czego konsekwencją będzie zanik przewodnictwa jonowego. Poza tym przy zwiększonej temperaturze pracy zwiększy się ciśnienie pary w materiale elektrolitu, a to może spowodować uszkodzenie mechaniczne ogniwa. 46

5.2.5 Badanie wpływu zmiany współczynnika nadmiaru powietrza na pracę stosu W celu zwiększenia wartości mocy generowanej można odpowiednio nawilżyć katodę, poprzez dostarczenie powietrza o odpowiednim zawilgoceniu [31, 57]. W badanym systemie, powietrze do kanału katody dostarczane jest przez sprężarkę, za pomocą której można regulować wartość współczynnika nadmiaru powietrza λ. Strumień dostarczanego powietrza można obliczyć ze wzoru 3.16. Przy stałej wartości prądu obciążenia równej 60 A dokonano pomiarów mocy dla czterech punktów pracy kompresora. Ze względu na fluktuacje mierzonego napięcia, podobnie jak w przy badaniu wpływu temperatury pracy na wartość mocy generowanej przez stos, obliczono jego wartości średnie. Rysunek 5.13 przedstawia wartości rejestrowanego napięcia natomiast na rysunku 5.14 porównano średnie wartości napięć dla czterech wartości współczynnika λ. Rys. 5.13. Przebiegi czasowe generowanego napięcia i procentowej wydajności kompresora 47

Rys. 5.14. Wpływ wartości współczynnika λ na wartość średnią generowanego napięcia Przeprowadzone badania symulacyjne i doświadczalne na stosie ogniw paliwowych PEMFC pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: stos ogniw paliwowych typu PEMFC przetwarza energię chemiczną zawartą w wodorze na energię elektryczną ze sprawnością około 50 %, wzrost temperatury zwiększa napięcie ogniwa przy danej wartości natężenia prądu, ze wzrostem współczynnika nadmiaru powietrza λ rośnie moc generowana przez stos PEMFC, stos ogniw paliwowych typ PEMFC dostosowuje się szybko do zmian obciążenia podczas jego pracy w obszarze strat omowych charakterystyki U = f(i). Ogniwa paliwowe typu PEMFC wykazują cechy eksploatacyjne, które można wykorzystać do kompensacji wady źródeł o stochastycznym charakterze pracy tj. silnego uzależnienia produkcji energii od warunków atmosferycznych. W związku z powyższym autor przeprowadził badania współpracy ogniwa paliwowego ze źródłami o losowym, stochastycznym charakterze pracy, takimi jak elektrownie wiatrowe i ogniwa fotowoltaiczne. 48

5.3 Badanie współpracy ogniwa paliwowego typu PEMFC z turbiną wiatrową i ogniwami fotowoltaicznymi 5.3.1 Stanowisko badawcze Badanie współpracy turbiny wiatrowej i ogniw fotowoltaicznych z ogniwem paliwowym typu PEMFC przeprowadzono na modelu fizycznym Clean Energy Trainer firmy Heliocentris, w skład którego wchodzą następujące komponenty: dwie lampy halogenowe o mocy 75 W do oświetlania ogniw fotowoltaicznych oraz miernik natężenia oświetlenia, wentylator oraz anemometr do pomiaru prędkości powietrza, dwie żarówki o mocy 0,5 W, model elektrowni 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 oraz charakterystyce zewnętrznej i krzywej mocy przedstawionej na rysunku 5.15. Rys. 5.15. 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 x30 mm. Na rysunku 5.16 przedstawiono charakterystykę zewnętrzną i krzywą mocy ogniw fotowoltaicznych połączonych równolegle. Połączenie równoległe ma na celu zwiększenie wartości natężenia prądu generowanego przez ogniwa. 49

Charakterystyki zostały wyznaczone dla maksymalnej wartości natężenia oświetlenia równej 1200 W/m 2, Rys. 5.16. Charakterystyka zewnętrzna i krzywa mocy ogniw fotowoltaicznych dwa elektrolizery typu PEMEC o parametrach moc P = 1,16 W, napięcie maksymalne zasilania U max = 2,0 V, wymiary H x W x D = 50 x 40 x 57 mm i charakterystyce zewnętrznej przedstawionej na wykresie 5.17, Rys. 5.17. Charakterystyka zewnętrzna elektrolizera 50

stos ogniw paliwowych PEMFC o parametrach: moc maksymalna Pmax = 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 5.18, Rys. 5.18. Charakterystyka zewnętrzna i krzywa mocy ogniwa paliwowego typu PEMFC Aby przebadać równoległą współpracę źródeł autor zmodyfikował układ uzupełniając go o następujące elementy: 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, obciążenie stałoprądowe DC-LOAD (rys 5.19). Rys. 5.19. Widok zestawu Clea Energy Trainer z multimetrem GDM-8255A oraz multimetrami cyfrowymi 51

5.3.2 Wyniki pomiarów W celu zbadania współpracy turbiny wiatrowej, ogniw fotowoltaicznych 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. 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 5.20 5.24. Rysunek 5.20 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 start omowych charakterystyki zewnętrznej U = f(i) (rys. 5.21), generując prąd o wartości 0,04 A. Rys. 5.20 Zarejestrowane wartości prądów stałe warunki pogodowe 52

Rys. 5.21. Charakterystyka zewnętrzna i krzywa mocy stosu ogniw PEMFC z zaznaczonym punktem pracy Na rysunku 5.22 przedstawiono zarejestrowane sygnały prądowe trzech źródeł przy wyłączeniu elektrowni wiatrowej i braku działania układu oczyszczania anody. Rys. 5.22. Zarejestrowane wartości prądów zmienne warunki pogodowe brak płukania anody EW prąd generowany przez elektrownię wiatrową, PV prąd generowany przez ogniwa fotowoltaiczne, OP prąd generowany przez ogniwo paliwowe, Odb prąd pobierany przez odbiornik 53

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 5.23 przedstawiono zarejestrowane sygnały prądowe trzech źródeł przy wyłączeniu i ponownym włączeniu źródła światła i działającym układzie oczyszczania anody. Rys. 5.23. Zarejestrowane wartości prądów zanik natężenia promieniowania słonecznego płukanie anody w ogniwie paliwowym 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 między 3 a 8 sekundą natężenie prądu generowanego przez ogniwo paliwowe zwiększyło swoją wartość, w efekcie, czego układ pokrył zapotrzebowanie odbiorcy, mimo chwilowego zaniku natężenia promieniowania źródła światła. Rysunek 5.24 przedstawia zarejestrowane sygnały prądowe trzech źródeł przy zasymulowanych zmiennych warunkach pogodowych. 54

Rys. 5.24. 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 zasymulowanych zmiennych warunków pogodowych odbiorca pobiera prąd o stałej wartości natężenia 0,4 A. Stos ogniw paliwowych typu PEMFC jest w stanie w szybkim czasie pokryć braki energii wytwarzanej przez źródła odnawialne o losowym charakterze pracy (elektrownie wiatrowe, słoneczne). Wyniki badań na modelu fizycznym są zbieżne z wynikami autorów prezentujących efekty badań symulacyjnych na jednostkach o wyższych wartościach mocy znamionowej rzędu kilowatów i megawatów [1, 87]. Wnioski uzyskane na podstawie przeprowadzonych badań stanowiły dla autora punkt wyjścia do opracowania algorytmu w środowisku Matlab/Simulink, który pozwolił na przeprowadzanie wielowariantowej analizy porównawczej scenariuszy współpracy rozpatrywanego systemu hybrydowego (elektrownia wiatrowa, moduły fotowoltaiczne, ogniwo paliwowe) ze źródłami konwencjonalnymi przy pokrywaniu obciążenia odbiorcy o określonym profilu energetycznym i wybraniu najkorzystniejszego scenariusza współpracy źródeł w świetle przyjętych kryteriów. 55

6. MODEL MATEMATYCZNY POZWALAJĄCY NA ANALIZĘ WSPÓŁPRACY UKŁADU HYBRYDOWEGO Z SYSTEMEM ELEKTROENERGETYCZNYM 6.1 Wstęp W niniejszym rozdziale przedstawiono opis modelu matematycznego opisującego współpracę hybrydowego systemu wytwórczego składającego się z elektrowni wiatrowych, instalacji fotowoltaicznych oraz magazynu energii elektrolizer ogniwo paliwowe z systemem elektroenergetycznym. Model został zbudowany w oparciu o analizę energetyczną hybrydowego systemu wytwórczego opisaną w rozdziale 6.2 oraz o metodę programowania kompromisowego analizy wielokryterialnej przedstawioną w rozdziale 6.3. 6.2 Analiza energetyczna pracy hybrydowego systemu wytwórczego Schemat analizowanego hybrydowego układu zasilania odbiorcy przedstawiono na rysunku 6.1. Nadwyżka energii wyprodukowanej w źródłach odnawialnych wykorzystywana jest w procesie elektrolizy (rozkładu wody na wodór i tlen). Wodór jest sprężany i magazynowany, a następnie wykorzystywany w ogniwie paliwowym do wytwarzania energii elektrycznej, w okresie, gdy jest ona wymagana potrzebami odbiorcy [7]. Rys. 6.1. Schemat blokowy hybrydowego systemu wytwórczego: OP ogniwo paliwowe, PV ogniwo fotowoltaiczne, EW elektrownia wiatrowa, El elektrolizer, H 2 zbiornik wodoru Chwilowe niedobory mocy związane ze stochastycznym charakterem generacji energii przez źródła odnawialne kompensuje praca ogniwa paliwowego. Taki tryb pracy 56

umożliwiają cechy eksploatacyjne ogniw paliwowych, potwierdzone eksperymentalnie i opisane w rozdziale 5. Wodór do ogniwa paliwowego dostarczany jest w pierwszej kolejności z elektrolizera. W przypadku wyczerpania wodoru w zbiorniku, ogniwo paliwowe zasilane jest przez wodór ze źródła dodatkowego (ang. backup). Zakup dodatkowego wodoru w celach backupu jest obciążony niewielką emisją zanieczyszczeń związaną z jego produkcją w zależności od technologii (reforming parowy węglowodorów, zgazowanie węgla, zgazowanie biomasy). Bilans mocy w układzie, zależy od stosunku mocy wytwarzanej przez turbiny wiatrowe i systemy fotowoltaiczne do zapotrzebowania odbiorcy. W przypadku, gdy zapotrzebowanie jest mniejsze od generowanej mocy (praca elektrolizera) równanie bilansowe przyjmuje postać. P Odb P P P P (6.1) PV EW elek gdzie: P Odb moc pobierana przez odbiorcę, P PV moc generowana przez instalację fotowoltaiczną, P EW moc generowana przez elektrownie wiatrowe, P elek moc obierana przez elektrolizer, P komp moc zużyta na napęd kompresora, P sys moc pobrana z systemu elektroenergetycznego. Głównym urządzeniem potrzeb własnych magazynu energii elektrolizer-ogniwo paliwowe jest sprężarka. Moc potrzebną do jej zasilania opisuje wzór: komp P komp m 1 p1 H p0v0[( ) 2 1 p0 1 1] ikomp (6.2) gdzie: m H2 [kg/s] masowy przepływ wodoru, κ wykładnik adiabaty (κ = 1,41 dla wodoru), p 0 [MPa] ciśnienie wodoru przed sprężeniem, v 0 [Nm 3 /kg] objętość właściwa wodoru, p 1 [MPa] ciśnienie wodoru po sprężeniu, η ikomp sprawność wewnętrzna sprężarki. W przypadku, gdy zapotrzebowanie przewyższa moc produkowaną przez źródła (praca ogniwa paliwowego), moc pobierana przez odbiorcę opisuje wzór: P Odb P P P (6.3) PV EW OP gdzie: P OP moc generowana przez stos ogniw paliwowych. 6.2.1 Profile wietrzności i nasłonecznienia Na rysunkach 6.2 oraz 6.3 przedstawiono roczne rozkłady nasłonecznienia i prędkości wiatru. Roczny rozkład energii promieniowania słonecznego podzielony na miesiące przedstawiono na rysunku 6.2. 57

Rys. 6.2. Roczny rozkład energii promieniowani słonecznego przypadającej na 1 m 2 Energię promieniowania słonecznego obliczono z zależności: E promieniowania T a [ 2 m 0 Edt Wh ] (6.4) gdzie: E natężenie promieniowania słonecznego W/m 2, T a = 8760 h. Roczne wyniki pomiarów prędkości wiatru przedstawiono przy pomocy rozkładu prędkości wiatru p(vi) na rysunku 6.3. Pojedynczy słupek reprezentuje prawdopodobieństwo p(v i ) wystąpienia prędkości wiatru w i-tym przedziale zgodnie ze wzorem 6.5. ni p( v i ) (6.5) N gdzie: n i liczba zmierzonych wartości prędkości wiatru w i-tym przedziale, N liczba wszystkich pomiarów prędkości wiatru. Rys. 6.3. Roczny rozkład prędkości wiatru 58

Dane wietrzności i nasłonecznienia uzyskano na podstawie pomiarów przeprowadzonych za pomocą stacji pomiarowej Power Predictor zainstalowanej na dachu budynku Wydziału Elektrycznego Politechniki Poznańskiej. 6.2.2 Profile energetyczne odbiorcy Profile energetyczne odbiorcy można scharakteryzować za pomocą następujących parametrów [21]: chwilowy stopień obciążenia zdefiniowany jako: P dt mdt (6.6) Pds gdzie: P dt [kw] obciążenie chwilowe, P ds [kw] obciążenie szczytowe. stopień obciążenia podstawowego zdefiniowany jako: gdzie: P do [kw] obciążenie minimalne. stopień obciążenia szczytowego zdefiniowany jako: moc średnia dobowa obciążenie średnie: P dsr P do mdo (6.7) Pds Pds m ds 1 (6.8) P A T d d ds 1 T d T d 0 P dt gdzie: A d [kwh] dobowe zużycie energii, T d [h] czas doby. dobowy czas użytkowania mocy szczytowej: A dt (6.9) d Tds (6.10) Pds Do analiz przyjęto następujące profile energetyczne odbiorcy: odbiorca komunalny o przykładowym przebiegu chwilowego stopnia obciążenia w funkcji czasu m dt = f(t) przedstawionym na rysunku 6.4 59

Rys. 6.4. Dobowy wykres obciążenia odbiorcy komunalnego zakład jednozmianowy o przykładowym przebiegu chwilowego stopnia obciążenia w funkcji czasu m dt = f(t) przedstawionym na rysunku 6.5 Rys. 6.5. Dobowy wykres obciążenia zakład jednozmianowy 60

zakład dwuzmianowy o przykładowym przebiegu chwilowego stopnia obciążenia w funkcji czasu m dt = f(t) przedstawionym na rysunku 6.6 Rys. 6.6. Dobowy wykres obciążenia zakład dwuzmianowy zakład trójzmianowy o stałym poborze mocy: m dt = const = m ds dla t (0 ; 24). Rys. 6.7. Dobowy wykres obciążenia profil stały 61

6.2.3 Dobór mocy urządzeń hybrydowego systemu wytwórczego Wartość mocy zainstalowanej w urządzeniach hybrydowego systemu wytwórczego będzie zależała od relacji między wartościami mocy generowanej przez źródła odnawialne a zapotrzebowaniem u odbiorcy oraz od stopnia pokrywania obciążenia przez system elektroenergetyczny. Dobór mocy jednostek wytwórczych realizowany jest w oparciu o następujące równania [55]: P P śr P min (6.11) P _ gen śr _ odb śr _ gen ncf _ PV PPV ncf _ EW PEW (6.12) n n P śr _ PV cf _ PV (6.13) PPV P śr _ EW cf _ EW (6.14) PEW gdzie: P śr_gen wartość średnia mocy generowanej przez źródła odnawialne, P śr _ odb wartość średnia mocy pobieranej przez odbiorcę, n cf wskaźnik wyzyskania mocy średniej od poszczególnego źródła, P PV moc nominalna instalacji fotowoltaicznej, P EW moc nominalna elektrowni wiatrowych. Dla profili wietrzności (rys. 6.3) i nasłonecznienia (rys. 6.2) wartości wskaźników wyzyskania mocy średniej wynoszą odpowiednio 12 % dla elektrowni wiatrowych oraz 10 % dla instalacji fotowoltaicznej. Wartość mocy średniej instalacji fotowoltaicznej dla okresu T wyznaczono z zależności: P A PV śr _ PV (6.15) Ta gdzie: A PV energia elektryczna wytworzona przez system fotowoltaiczny w czasie T a 8760 [h] Wartość energii wytworzonej przez instalacje fotowoltaiczną obliczono z zależności: A PV W k W w T 0 P PV dt (6.16) gdzie: W k współczynnik korekcyjny uwzględniający kąt skierowania instalacji fotowoltaicznej na południe oraz kąt odchylenia modułów od poziomu, W W współczynnik wydajności. Dla określenia wartości energii elektrycznej wytworzonej przez moduły fotowoltaiczne (6.16) wykorzystano charakterystyki mocy modułu w funkcji natężenia promieniowania słonecznego P pv = f(e) opracowane na podstawie rodziny charakterystyk zewnętrznych 62

U = f(i). Przykładowe charakterystyki przedstawiono na rysunku 6.8. Do obliczeń przyjęto następujące założenia: system modułów fotowoltaicznych jest wyposażony w układ śledzenia punktu mocy maksymalnej MPPT (P pv = P MMP ), poziom strat mocy generowanej przez instalację fotowoltaiczną z uwagi na temperaturę pracy, zacienienie, zabrudzenie uwzględniono za pomocą współczynnika wydajności W w. W praktyce wartość współczynnika wydajności zawiera się w przedziale 0,8 0,88 [96], uwzględniono kąt skierowania instalacji na południe oraz kąt odchylenia modułów od poziomu przy pomocy współczynnika korekcyjnego W k (współczynnik pozwalający przeliczyć nasłonecznienie na pochyloną powierzchnię modułów fotowoltaicznych). Tabele z wartościami współczynnika W k można znaleźć w pracy [96]. Rys. 6.8. Konstrukcja charakterystyki P pv = f(e) na podstawie rodziny charakterystyk zewnętrznych I = f(u) przykładowego modułu fotowoltaicznego W celu określenia mocy średniej wytworzonej przez turbiny wiatrowe wykorzystano charakterystyki eksploatacyjne P=f(v) oraz rozkład prędkości wiatru (rys. 6.3) przedstawiony w postaci funkcji ciągłej f(v) za pomocą rozkładu Weibulla [44, 49]: k 1 k v k ( v / ) f ( v) e (6.17) gdzie: v prędkość wiatru [m/s], k parametr kształtu (k>0), λ parametr skali (λ>1) 63

Rozkład prędkości wiatru pozwala, przy znajomości charakterystyki P=f(v) danej elektrowni wiatrowej, określić roczną wartość generowanej mocy średniej zgodnie z zależnościami 6.18 - dla rozkładu ciągłego i 6.19 - dla rozkładu dyskretnego. _ EW P v) f ( v) 0 P sr ( dv (6.18) P M P( vi ) f ( vi v (6.19) sr _ EW ) i 1 gdzie: M liczba przedziałów prędkości wiatru o szerokości Δv i. Graficzną interpretację wyznaczania mocy średniej przedstawiono na rysunku 6.9. Pole powierzchni pod funkcją gęstości mocy g(v), będącą iloczynem charakterystyki elektrowni wiatrowej P=f(v) oraz funkcji aproksymującej rozkład prędkości wiatru f(v), reprezentuje wartość mocy średniej wytworzonej przez elektrownię wiatrową w okresie np. roku. (rys 6.8) Rys. 6.9. Wyznaczanie wartości mocy średniej generowanej przez elektrownię wiatrową w okresie np. roku W celu przeliczenia prędkości wiatru v z wysokości H na której wykonywane były pomiary na wysokość instalacji turbiny wiatrowej H ew posłużono się zależnościami. HEW ln( ) v z EW v (6.20) H ln( ) z gdzie: v EW prędkość wiatru na wysokości instalacji turbiny wiatrowej, z szorstkość terenu 64

Wartości mocy elektrolizera i ogniwa paliwowego zostają dobrane w oparciu o następujące założenia [55]: ogniwo paliwowe jest w stanie pokryć chwilowe maksymalne zapotrzebowanie: PFC P max_ odb (6.21) elektrolizer jest w stanie przyjąć moc chwilową generowaną przez system fotowoltaiczny i źródła wiatrowe: P El n ( P P (6.22) max_ WT Pmax_ PV ) min_ odb gdzie: P EL moc znamionowa elektrolizera, P max _ WT maksymalna moc chwilowa turbin wiatrowych, P max _ PV maksymalna moc chwilowa instalacji fotowoltaicznej, P min _ odb minimalne chwilowe zapotrzebowanie odbiorcy, n współczynnik określający jednoczesność wytwarzania mocy maksymalnej przez system fotowoltaiczny i elektrownie wiatrowe. Dla określenia ilości wyprodukowanego wodoru przez elektrolizer oraz ilości zużytego wodoru przez ogniwo paliwowe posłużono się charakterystykami V H2 = f(p), opracowanymi w oparciu o charakterystyki zewnętrzne elektrolizera i ogniwa U = f(i). Przykładowe charakterystyki zewnętrzne stosu o mocy znamionowej 1,26 kw zbudowanego z 42 pojedynczych celek przedstawiono na rysunku 6.10. Rys. 6.10. Charakterystyki zewnętrze ogniwa paliwowego i elektrolizera Zgodnie z zależnością 3.12 strumień wodoru jest proporcjonalny do natężenia prądu elektrycznego. Charakterystyki P el =(V H2 ) przedstawiono na rysunku 6.11. 65

Rys. 6.11. Charakterystyki P el = f(v H2 ) dla określenia ilości energii zużytej na sprężanie wodoru, posłużono się charakterystyką W =f(p) (rys. 6.12) opracowaną w oparciu o wzór 6.2. Porównanie sprawności technologii magazynowania wodoru przedstawiono w pracy [29]. Rys. 6.12. Zależność pracy jaką trzeba wykonać aby sprężyć 1 kg wodoru w funkcji ciśnienia końcowego 66

6.3 Metoda programowania kompromisowego Analiza wielokryterialna jest metodą matematyczną, która pozwala na wybranie najkorzystniejszego rozwiązania, tzw. scenariusza, w świetle przyjętych kryteriów. Jedną z metod przeprowadzenia analizy wielokryterialnej jest metoda programowania kompromisowego. Pozwala ona na uszeregowanie rozpatrywanych scenariuszy w kolejności najmniejszej odległości od tzw. punktu docelowego X. Współrzędne punktu docelowego są równe maksymalnej wartości przyjętej skali normalizacyjnej, tzn. zawsze przyjmują wartość najkorzystniejszą (rys.6.13) [53, 73, 89]. Rys. 6.13. Interpretacja graficzna punktu docelowego X w metodzie programowania kompromisowego [32] k 1, k 2 kryteria decyzyjne, S 1,S 2, S 3 S 4 scenariusze, X punkt docelowy Metoda programowania kompromisowego pozwala nadawać wagi poszczególnym kryteriom decyzyjnym tzn. decydent ma możliwość uwzględnienia w obliczeniach ważności niektórych, szczególnie dla niego ważnych, parametrów [53,73, 89]. Przykładowo analizując pracę układu wytwarzającego energię elektryczną dla decydenta szczególne znaczenie może mieć koszt wytwarzania energii elektrycznej lub wpływ pracy układu na środowisko. Matematyczny zapis wielokryterialnego problemu decyzyjnego składającego się z n scenariuszy S, rozpatrywanych przy pomocy m kryteriów k stanowi macierz decyzyjna, zwana macierzą wypłat (rys 6.14). 67

\ k1 k2 k3 km S x x x I 11 12 13 x 1m S x x x II 21 22 23 x 2m S x x x III 31 32 33 x 3m Sn x n1 x n2 xn3 xnm Rys. 6.14. Macierz wypłat dla n scenariuszy ocenianych przez m kryteriów W celu sprowadzenia wartości wszystkich kryteriów do ujednoliconej skali o zakresie (0:1) stosuje się normalizacje kryteriów. W przypadku gdy zmienne są stymulantami normalizacji dokonuje się wg zależności: x nm xnm min( xnm ) (6.23) max( x ) min( x ) nm Stymulanty to zmienne których wzrost wartości wiąże się ze zwiększeniem a spadek wartości wiąże się ze zmniejszeniem, oceny rozpatrywanego scenariusza. Przykładem zmiennej będącej stymulantą jest sprawność procesu przetwarzania energii pierwotnej na elektryczną konwencjonalnego bloku parowego. Wzrost wartości sprawności przetwarzania energii zwiększa atrakcyjność danego scenariusza. W przypadku gdy zmienne są destymulantami normalizacji dokonuje się wg zależności: x nm nm max( xnm ) xnm (6.24) max( x ) min( x ) nm Destymulanty to zmienne których wzrost wartości wiąże się ze zmniejszeniem a spadek wartości wiąże się ze zwiększeniem, oceny rozpatrywanego scenariusza. Przykładem zmiennych będących destymulantmi są koszt wytwarzania energii oraz emisja gazów cieplarnianych. Wzrost wartości tych zmiennych zmniejsza atrakcyjność danego scenariusza. Zapis matematyczny miary odległości rozpatrywanego wariantu od punktu idealnego opisuje wzór: nm M ' ' n ) wm ( xm xnm ) m 1 L ( S (6.25) gdzie: L α miara rozbieżności rozpatrywanego scenariusza S n od punktu idealnego, w m współczynnik wagi m-tego kryterium, α wykładnik potęgowy mierzący odchylenie strategii od punktu idealnego X przyjmowany w praktyce jako 1,2 oraz, x m m-ta współrzędna idealnego punktu, x nm znormalizowana wartość kryterium oceniającego. 68

Najkorzystniejszy scenariusz w świetle przyjętych kryteriów spełnia zależność: S j * S L ( S ) min L ( S ), dla n = 1, 2...N; α = 1,2... (6.26) j n gdzie: S * - wybrany scenariusz, Porównanie najlepszego scenariusza w świetle przyjętych kryteriów z pozostałymi scenariuszami realizuje się poprzez próg akceptowalności PA zdefiniowany jako: p PA min L ( Sn ) (6.27) 100 gdzie: p procentowa wartość odległości najlepszego scenariusza od punktu zadawalającego. Akceptowalne scenariusze spełniają nierówność: L ( Sn ) min L ( Sn ) PA (6.28) Ponieważ końcowe rozwiązanie wielokryterialnego problemu decyzyjnego jest uzależnione od wybranych kryteriów i ich wag oraz od ustalonych progów akceptacji, należy stosować tę metodę dla różnych wartości parametrów początkowych, w celu zweryfikowania poprawności obliczeń i określenia czułości metody [73]. 6.3.1 Scenariusze i kryteria decyzyjne przyjęte w modelu Scenariusze przyjęte w modelu do przeprowadzenia analizy wielokryterialnej stanowią warianty rozdziału obciążeń między hybrydowy system wytwórczy a system elektroenergetyczny. Dobór scenariuszy pracy realizowany jest poprzez ustalenie stopnia udziału systemu elektroenergetycznego w pokrywaniu zapotrzebowania przez odbiorcę. W skrajnym przypadku, przy założeniu zerowego udziału systemu elektroenergetycznego w pokrywaniu obciążenia, scenariuszem pracy będzie praca hybrydowego systemu wytwórczego w trybie off-grid (tryb autonomiczny). Należy zaznaczyć, że stopniowe zwiększanie udziału systemu elektroenergetycznego w pokrywaniu obciążenia odbiorcy będzie pociągało za sobą: wzrost emisji dwutlenku węgla do atmosfery, zmniejszenie wartości mocy zainstalowanej hybrydowego systemu wytwórczego, co wpłynie na wartość kosztów jego budowy i eksploatacji. W modelu przyjęto cztery scenariusze pracy, które przedstawiono na przykładzie profilu komunalnego. Bazowy scenariusz S-I stanowi zasilanie odbiorcy przez hybrydowy system wytwórczy w trybie off-grid, bez udziału systemu elektroenergetycznego. Kolejne scenariusze S-II, S-III, S-IV uwzględniają pokrywanie części obciążenia przez system wg następującej kolejności: 69

S-II - system elektroenergetyczny pokrywa podstawę obciążenia, S-III - system elektroenergetyczny pokrywa 50 % zapotrzebowania na energię, S-IV - system elektroenergetyczny pokrywa 75 % zapotrzebowania na energię. Profil energetyczny odbiorcy komunalnego z zaznaczonymi scenariuszami przedstawiono na rysunku 6.15. Rys. 6.15. Profil energetyczny odbiorcy scenariusze pracy Tak dobrane scenariusze dają możliwość porównania pracy autonomicznej hybrydowego systemu wytwórczego z przypadkami jego współpracy z systemem elektroenergetycznym. Aby obiektywnie ocenić scenariusze w analizie wielokryterialnej należy przyjąć kryteria decyzyjne, które reprezentują rozbieżne cele [53]. W przypadku porównywania wariantów wytwarzania energii elektrycznej kryteria decyzyjne można podzielić na trzy grupy: kryteria energetyczne, kryteria ekonomiczne oraz kryteria środowiskowe. Kryteria energetyczne opisują jakość przemiany energii pierwotnej w energię elektryczną. Do grupy tych kryteriów zalicza się m.in. sprawność przemiany mocy (sprawność chwilowa), sprawność przemiany energii (sprawność energetyczna) [47] oraz jednostkowe zużycie wodoru przez system hybrydowy. Sprawność przemiany mocy definiuje się jako stosunek mocy oddawanej do mocy doprowadzanej w danej chwili czasu. Ogólny wzór na sprawność dla najprostszego szeregowego łańcucha przemian energetycznych można opisać wzorem: P (6.29) n 2 i i 1 P1 70

gdzie: i = 1,2,...n numer ogniwa w łańcuchu przemian, η i sprawność i-tego ogniwa w łańcuchu, P 1 [W] moc doprowadzana do łańcucha przemian energetycznych; P 2 [W] moc oddawana przez ostatni element łańcucha przemian energetycznych. W przypadku równoległego połączenia elementów sprawność wypadkowa zależy od rozpływu mocy na dane elementy: n k (6.30) i 1 gdzie: k i współczynnik rozpływu mocy pomiędzy równolegle połączone elementy Rozpatrywany system hybrydowy (rys. 6.1) stanowi kombinację połączenia szeregowego oraz równoległego poszczególnych urządzeń. Sprawność chwilową systemu hybrydowego przy określonych warunkach wietrznych i nasłonecznienia można opisać wzorem (6.31): elhsw ( 1 k )[( k k ) ( k ( 1 k ))] k back up PV PV EW EW odb i i El magazynu op odb back up op (6.31) gdzie: η elhsw sprawność chwilowa hybrydowego systemu wytwórczego, η pv sprawność chwilowa paneli fotowoltaicznych, η ew sprawność chwilowa elektrowni wiatrowej, η El sprawność elektrolizera, η magazynu sprawność magazynowania wodoru, η op sprawność stosu ogniw paliwowych, k pv i k ew współczynniki rozpływu mocy generowanej prze panele fotowoltaiczne i turbiny wiatrowe (k pv + k ew = 1), k odb współczynnik określający rozpływ mocy generowanej na magazyn i odbiorcę, k back-up współczynnik określający stopień zasilania odbiorcy z wykorzystanie wodoru dodatkowego (back-up). Wartość chwilowa sprawności będzie zależała od chwilowego toru rozpływu mocy wytworzonej w elektrowniach wiatrowych oraz panelach fotowoltaicznych. Sprawność energetyczna jest średnią sprawnością w pewnym okresie (dobie, miesiącu lub roku) i zależy głównie od zmienności sprawności chwilowej w czasie. W przypadku szeregowego łańcucha przemian energetycznych zachodzących np. w bloku elektrowni parowej, sprawność jest stymulantą, ponieważ wzrost jej wartości wiąże się ze zmniejszeniem zużycia paliwa (np. węgla) co zwiększa atrakcyjność dla decydenta. W rozpatrywanym systemie hybrydowym, ze względu na występowanie źródeł wykorzystujących odnawialne zasoby energii, wzrost wartości sprawności nie oznacza zmniejszenia zużycia paliwa jakim jest wodór. Analizując wzór 6.31 można zauważyć że: dla wartości współczynnika k back-up =1 (odbiorca zasilany jest z ogniwa paliwowego, zatem wykorzystywany jest wodór dodatkowy) wartość sprawności jest równa sprawności ogniwa paliwowego: elhsw op (6.32) 71

dla wartości współczynnika k back-up = 0 (energia w układzie hybrydowym produkowana jest bez wykorzystania wodoru dodatkowego) wartość sprawności jest równa: k k ) ( k ( 1 k ))] (6.33) elhsw [( PV PV EW EW odb el magazynu op odb Ponieważ wartość sprawności wytwarzania energii elektrycznej przez system ogniw paliwowych wynosi około 40 % a wartości sprawności wytwarzania energii przez elektrownie wiatrowe i panele fotowoltaiczne wynoszą odpowiednio około (22-25) % i (9-15) % zawsze prawdziwa będzie zależność: ( k (6.34) PV PV k EW EW ) ( kodb el magazynu op(1 kodb )) Zwiększenie udziału źródeł energii odnawialnej w całkowitej produkcji energii przez system hybrydowy spowoduje zmniejszenie zużycia wodoru dodatkowego (paliwa) oraz zmniejszenie wartości sprawności energetycznej. Natomiast wzrost sprawności wiąże się ze zwiększeniem udziału ogniwa paliwowego w produkcji energii i wzrostem zużycia paliwa. Z tego względu sprawność nie może zostać wykorzystana jako kryterium decyzyjne w analizie wielokryterialnej, ponieważ nie uwzględnia wszystkich aspektów produkcji energii elektrycznej m.in. kosztów energii doprowadzanej. W związku z powyższym jako kryterium k 1 reprezentujące grupę kryteriów energetycznych przyjęto jednostkowe zużycie wodoru dodatkowego przez system hybrydowy zdefiniowane jako: k 1 3 M H kg V 2 H Nm 2 [ ] [ ] (6.35) E kwh E kwh Odb Odb gdzie: M H2, V H2 masowe lub objętościowe zużycie wodoru dodatkowego do celów backupu, E Odb zapotrzebowanie na energię przez odbiorcę. Jako kryterium reprezentujące grupę kryteriów ekonomicznych przyjęto jednostkowy koszt wytwarzania energii elektrycznej przez system hybrydowy. K PLN k e 2 [ ] E kwh (6.36) HSW gdzie: K e koszty eksploatacyjne układu hybrydowego, E HSW energia wytworzona przez układ hybrydowy Koszty eksploatacyjne K e są sumą kosztów operacyjnych i zarządzania urządzeń tworzących system hybrydowy (O&M), kosztów zakupu i transportu wodoru dodatkowego oraz kosztów amortyzacji i kosztów wody do uzupełnienia obiegu elektrolizer - ogniwo paliwowe. op 72

K e K K K K (6.37) O& M paliwa a H 2O Kryterium k 3 - wskaźnik emisji dwutlenku węgla przez hybrydowy system wytwórczy i system elektroenergetyczny, reprezentuje grupę kryteriów środowiskowych i opisuje wpływ pracy instalacji na środowisko naturalne. k 3 Esys WECO M / 2 H CO 2 2 H 2 kgco 2 [ ] (6.38) E kwh Odb gdzie: E sys energia pobrana z systemu elektroenergetycznego, WE CO2 wskaźnik emisji dwutlenku węgla w systemie elektroenergetycznym, CO 2 /H 2 masa dwutlenku węgla powstała przy produkcji 1 kg wodoru w procesie reformingu parowego, częściowego utleniania lub zgazowania paliw stałych. Wartość wskaźnika emisji dwutlenku węgla w systemie elektroenergetycznym WE CO2 jest uzależniona do struktury jego sektora wytwórczego. Kryterium k 4 - stopień wykorzystania mocy zamówionej z systemu elektroenergetycznego, opisuje korzyści dla systemu elektroenergetycznego, jakie niesie zainstalowanie układu hybrydowego przy odbiorcy. k 4 Esys kwh [ ] (6.39) P t kwh zam gdzie: P zam maksymalna moc pobierana z systemu elektroenergetycznego przez odbiorcę w czasie t. Z punktu widzenia systemu elektroenergetycznego układ hybrydowy system wytwórczy + odbiorca można traktować jako odbiorcę pobierającego stałą wartość mocy w rozpatrywanym okresie czasowym (rys. 6.16). 73

Rys. 6.16. Interpretacja graficzna kryterium decyzyjnego k 4 = 1 Zwiększenie wartości mocy zamówionej w systemie elektroenergetycznym powoduje zmniejszenie czasu jej wykorzystania, co według kryterium k 4 jest mniej korzystnym rozwiązaniem dla systemu (rys. 6.17). Rys. 6.17 Interpretacja graficzna kryterium decyzyjnego k 4 = 0,87 74

6.4 Podsumowanie Przedstawiony w rozdziale model matematyczny zaimplementowany w środowisku Matlab/Simulink opisujący współpracę hybrydowego systemu wytwórczego z systemem elektroenergetycznym pozwala na: zasymulowanie wybranego profilu odbiorcy (komunalny, zakład jednozmianowy, zakład dwuzmianowy, zakład trójzmianowy lub kombinacja wybranych profili) o dowolnej wartości zapotrzebowania szczytowego i podstawowego oraz na zasymulowanie profili wietrzności i nasłonecznienia. Do analiz można także wykorzystać wyniki pomiarów przeprowadzonych na obiektach rzeczywistych, dobranie scenariuszy pokrywania obciążenia odbiorcy poprzez określenie w nich stopnia udziału systemu elektroenergetycznego, przeprowadzenie analizy energetycznej hybrydowego system wytwórczego w oparciu o charakterystyki eksploatacyjne poszczególnych źródeł, mającej na celu wyznaczenie wartości kryterium energetycznego, wyznaczenie wartości mocy zainstalowanej hybrydowego systemu wytwórczego dla przyjętych scenariuszy współpracy, oszacowanie kosztów eksploatacyjnych systemu hybrydowego w celu wyznaczenia wartości kryterium ekonomicznego, przeprowadzenie analizy wpływu na środowisko w celu wyznaczenia wartości kryterium środowiskowego, uwzględnienie w analizach struktury sektora wytwórczego systemu elektroenergetycznego poprzez przyjęcie wartości wskaźnika emisyjności w systemie WE CO2, przeprowadzanie wielowariantowej analizy porównawczej przyjętych scenariuszy współpracy systemu hybrydowego z systemem elektroenergetycznym i przebadanie wpływu wag kryteriów decyzyjnych na wynik końcowy analizy wielokryterialnej. Przykłady zastosowania modelu w planowaniu rozdziału obciążeń między hybrydowy system wytwórczy a system elektroenergetyczny dla wybranych profili przedstawiono w rozdziale 7. 75

7. WIELOKRYTERIALNA ANALIZA WSPÓŁPRACY HYBRYDOWEGO SYSTEMU WYTWÓCZEGO Z SYSTEMEM ELEKTROENERGETYCZNYM 7.1 Wstęp Analizę wielokryterialną pokrywania obciążeń przez hybrydowy system wytwórczy i system elektroenergetyczny przeprowadzono dla profili energetycznych odbiorcy opisanych w rozdziale 6.2.2 tj. dla profili komunalnego profil P_1, zakładu jednozmianowego profil P_2 i zakładu dwuzmianowego profil P_3 oraz dla profilu stałego P_const. Celem analizy wielokryterialnej rozdziału obciążeń dla profilu stałego było wskazanie najlepszego wariantu gdy według kryterium k 4 trzy scenariusze współpracy z systemem elektroenergetycznym, S-II, S-III i S-IV, będą miały jednakowe znaczenie tzn., że dla trzech scenariuszy współpracy hybrydowego systemu wytwórczego z systemem elektroenergetycznym kryterium k 4 ma jednakową wartość równą 1. Dodatkowo przeprowadzono analizę dla profili będących połączeniem wyżej wymienionych, tzn. połączenie profili zakładu jednozmianowego i odbiorcy komunalnego profil P_1_2, połączenie profili zakładu dwuzmianowego i komunalnego profil P_1_3, połączenie profili zakładu jedno i dwuzmianowego profil P_2_3, połączenie wszystkich trzech profili profil P_1_2_3. Na podstawie analizy energetycznej dobrano dla każdego z profili zestaw urządzeń systemu hybrydowego oraz wyznaczono wartości kryterium energetycznego k 1. Aby wyznaczyć wartość kryterium k 2 oszacowano dla każdego z rozpatrywanych scenariuszy wartość nakładu inwestycyjnego i wyznaczono koszty eksploatacyjne zgodnie z równaniem (6.37) W celu wyznaczenia wartości kryterium środowiskowego przyjęto wskaźnik emisyjności dwutlenku węgla w systemie elektroenergetycznym przyjęto na poziomie 831,5 kgco 2 /MWh [92], zaś emisję CO 2 związaną z produkcją 1 kg wodoru w procesie reformingu parowego Stopień akceptowalności p (wzór 6.27) przyjęto na niskim poziomie równym 5 %. Dzięki temu uwzględnione zostały także scenariusze znajdujące się w odległości nie większej niż 0,05*minL α (S n ) od najlepszego rozwiązania. Analizę przeprowadzono dla dwóch wartości kryterium agregującego α równego 1 i 2. Badanie wpływu wag kryteriów decyzyjnych na wynik analizy wielokryterialnej przeprowadzono dla wariantu, w którym wszystkim kryteriom przypisano taką samą wartość wagi w m. Następnie badano wpływ przeważenia jednego kryterium w stosunku do pozostałych 76

na wyniki analizy wielokryterialnej według następującego założenia przeważanie jednego kryterium odbywało się do momentu, gdy jako wynik analizy wielokryterialnej był wskazywany scenariusz preferowany przez to kryterium. Dla każdego przypadku przedstawiono: profil energetyczny odbiorcy z zaznaczonymi: scenariuszami pokrywania obciążeń (rysunki: 7.1, 7.3, 7.5, 7.7, 7.9, 7.11, 7.13, 7.15), tabele zawierające wartości mocy zainstalowanych urządzeń tworzących hybrydowy system wytwórczy (tabele: 6.1, 6.5, 6.9, 6.13, 6.17, 6.21, 6.25, 6.29), macierze wypłat zawierające wartości kryteriów decyzyjnych (tabele: 6.2, 6.6, 6.10, 6.14, 6.18, 6.22, 6.26, 6.30), znormalizowane macierze wypłat zawierające wartości kryteriów decyzyjnych w ujednoliconej skali (tabele: 6.3, 6.7, 6.11, 6.15, 6.19, 6.23, 6.27, 6.31), wyniki badania przeważania wagi jednego kryterium względem pozostałych (tabele: 6.4, 6.8, 6.12, 6.16, 6.20, 6.24, 6.28, 6.30), (rysunki: 7.2, 7.4, 7.6, 7.8, 7.10, 7.12, 7.14). 7.2 Wielokryterialna analiza rozdziału obciążeń dla wybranych profili odbiorcy profil P_1 Rys. 7.1. Profil P_1 odbiorca komunalny 77

Tabela 7.1. Moce zainstalowane urządzeń tworzących hybrydowy system wytwórczy dla profilu P_1 Urządzenia w układzie Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego hybrydowym S-I S-II S-III S-IV Elektrownie wiatrowe [kw] 3x50 3x50 2x50 50 Panele PV-250 [W p ] 450x250 130x250 72x250 36x250 Ogniwo paliwowe [kw] 50 50 40 30 Elektrolizer [kw] 150 150 100 50 Tabela 7.2. Macierz wypłat dla profilu P_1 Kryteria decyzyjne Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego S-I S-II S-III S-IV k 1 [kgh 2 /kwh] 0,257 0,219 0,144 0,074 k 2 [PLN/kWh] 1,16 1,27 1,39 1,75 k 3 [kgco 2 /kwh] 0,31 0,48 0,61 0,72 k 4 [kwh/kwh] 0 1 0,91 0,87 Tabela 7.3. Znormalizowana macierz wypłat dla profilu P_1 Kryteria decyzyjne Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego S-I S-II S-III S-IV k 1 (min) 0,00 0,21 0,62 1,00 k 2 (min) 1,00 0,82 0,61 0,00 k 3 (min) 1,00 0,59 0,28 0,00 k 4 (max) 0,00 1,00 0,91 0.87 78

Tabela 7.4. Badanie wpływu wag kryteriów na wynik analizy wielokryterialnej profil P_1 Stosunek wag kryteriów Profil odbiorcy P_1 komunalny w 1 :w 2 :w 3 :w 4 α =1 α =2 1:1:1:1 S-II* S-III S-I S-IV S-III* S-II* S-I S-IV 2:1:1:1 S-III* S-IV S-II S-I S-III* S-IV S-II S-I 3:1:1:1 S-IV* S-III S-II S-I S-III* S-IV* S-II S-I 1:2:1:1 S-II* S-III S-I S-IV S-II* S-III S-I S-IV 1:3:1:1 S-II* S-I S-III S-IV S-II* S-I S-III S-IV 1:4:1:1 S-II* S-I* S-III S-IV S-II* S-I S-III S-IV 1:5:1:1 S-I* S-II S-III S-IV S-II* S-I S-III S-IV 1:1:2:1 S-II* S-I S-III S-IV S-II* S-I S-III S-IV 1:1:3:1 S-I* S-II S-III S-IV S-I* S-II S-III S-IV 1:1:1:2 S-II* S-III S-IV S-I S-II* S-III S-IV S-I Rys. 7.2. Wyniki analizy wielokryterialnej profil komunalny P_1 79

profil P_2 Rys. 7.3. Profil P_2 zakład jednozmianowy Tabela 7.5. Moce zainstalowane urządzeń tworzących hybrydowy system wytwórczy dla profilu P_2 Urządzenia w układzie Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego hybrydowym S-I S-II S-III S-IV Elektrownie wiatrowe [kw] 3x50 2x50 2x50 50 Panele PV-250 [W p ] 380x250 325x250 52x250 31x250 Ogniwo paliwowe [kw] 50 50 40 20 Elektrolizer [kw] 150 110 100 50 Tabela 7.6. Macierz wypłat dla profilu P_2 Kryteria decyzyjne Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego S-I S-II S-III S-IV k 1 [kgh 2 /kwh] 0,233 0,163 0,104 0 k 2 [PLN/kWh] 1,15 1,32 1,33 1,51 k 3 [kgco 2 /kwh] 0,28 0,43 0,55 0,62 k 4 [kwh/kwh] 0 1 0,8 0,7 80

Tabela 7.7. Znormalizowana macierz wypłat dla profilu P_2 Kryteria decyzyjne Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego S-I S-II S-III S-IV k 1 (min) 0,00 0,30 0,55 1,00 k 2 (min) 1,00 0,53 0,50 0,00 k 3 (min) 1,00 0,58 0,22 0,00 k 4 (max) 0,00 1,00 0,80 0,70 Tabela 7.8. Badanie wpływu wag kryteriów na wynik analizy wielokryterialnej profil P_2 Stosunek wag Profil odbiorcy 2 zakład 1-zmianowy kryteriów w 1 :w 2 :w 3 :w 4 α =1 α =2 1:1:1:1 S-II* S-III S-I S-IV S-II* S-III S-I S-IV 2:1:1:1 S-II* S-III* S-IV* S-I S-III* S-IV S-II S-I 3:1:1:1 S-IV* S-III S-II S-I S-IV* S-III S-II S-I 1:2:1:1 S-I* S-II* S-III S-IV S-II* S-III S-I S-IV 1:1:2:1 S-I* S-II* S-III S-IV S-II* S-I S-III S-IV 1:1:1:2 S-II* S-III S-IV S-I S-II* S-III S-IV S-I Rys. 7.4. Wyniki analizy wielokryterialnej profil P_2 81

profil P_3 Rys. 7.5. Profil P_3 zakład dwuzmianowy Tabela 7.9. Moce zainstalowane urządzeń tworzących hybrydowy system wytwórczy dla profilu P_3 Urządzenia w układzie Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego hybrydowym S-I S-II S-III S-IV Elektrownie wiatrowe [kw] 4x50 3x50 2x50 50 Panele PV-250 [W p ] 373x250 318x250 197x250 97x250 Ogniwo paliwowe [kw] 50 50 40 20 Elektrolizer [kw] 200 150 100 50 Tabela 7.10. Macierz wypłat dla profilu P_3 Kryteria decyzyjne Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego S-I S-II S-III S-IV k 1 [kgh 2 /kwh] 0,259 0,197 0,089 0 k 2 [PLN/kWh] 1,08 1,18 1,22 1,36 k 3 [kgco 2 /kwh] 0,32 0,43 0,52 0,62 k 4 [kwh/kwh] 0 1 0,85 0,79 82

Tabela 7.11. Znormalizowana macierz wypłat dla profilu P_3 Kryteria decyzyjne Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego S-I S-II S-III S-IV k 1 (min) 0,00 0,30 0,55 1,00 k 2 (min) 1,00 0,53 0,50 0,00 k 3 (min) 1,00 0,58 0,22 0,00 k 4 (max) 0,00 1,00 0,80 0,70 Tabela 7.12. Badanie wpływu wag kryteriów na wynik analizy wielokryterialnej profil P_3 Stosunek wag Profil odbiorcy 3 zakład dwuzmianowy kryteriów w 1 :w 2 :w 3 :w 4 α =1 α =2 1:1:1:1 S-II* S-III S-I S-IV S-III* S-II* S-I S-IV 2:1:1:1 S-III* S-IV S-II S-I S-III* S-IV S-II S-I 3:1:1:1 S-IV* S-III* S-II S-I S-III* S-IV S-II S-I 1:2:1:1 S-II* S-I S-III S-IV S-II* S-I S-III S-IV 1:3:1:1 S-I* S-II S-III S-IV S-II* S-I* S-III S-IV 1:1:2:1 S-II* S-IV S-III S-IV S-II* S-I S-III S-IV 1:1:3:1 S-I* S-II S-III S-IV S-II* S-I* S-III S-IV 1:1:1:2 S-II* S-III S-IV S-I S-II* S-III* S-IV S-I Rys. 7.6. Wyniki analizy wielokryterialnej profil P_3 83

profil P_1-2 Rys. 7.7. Profil odbiorcy P_1-2 Tabela 7.13. Moce zainstalowane urządzeń tworzących hybrydowy system wytwórczy dla profilu P_1-2 Urządzenia w układzie Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego hybrydowym S-I S-II S-III S-IV Elektrownie wiatrowe [kw] 3x50 3x50 2x50 50 Panele PV-250 [W p ] 415x250 94x250 71x250 36x250 Ogniwo paliwowe [kw] 50 50 40 20 Elektrolizer [kw] 150 150 100 50 Tabela 7.14. Macierz wypłat dla profilu P_1-2 Kryteria decyzyjne Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego S-I S-II S-III S-IV k 1 [kgh 2 /kwh] 0,236 0,222 0,121 0,005 k 2 [PLN/kWh] 1,15 1,28 1,34 1,51 k 3 [kgco 2 /kwh] 0,29 0,49 0,57 0,63 k 4 [kwh/kwh] 0 1 0,91 0,84 84

Tabela 7.15. Znormalizowana macierz wypłat dla profilu P_1-2 Kryteria decyzyjne Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego S-I S-II S-III S-IV k 1 (min) 0,00 0,06 0,50 1,00 k 2 (min) 1,00 0,62 0,45 0,00 k 3 (min) 1,00 0,41 0,19 0,00 k 4 (max) 0,00 1,00 0,91 0,84 Tabela 7.16. Badanie wpływu wag kryteriów na wynik analizy wielokryterialnej profil P_1-2 Stosunek wag Profil odbiorcy P_1-2 kryteriów w 1 :w 2 :w 3 :w 4 α =1 α =2 1:1:1:1 S-II* S-III* S-I* S-IV S-III* S-II S-I S-IV 2:1:1:1 S-IV* S-III S-II S-I S-III* S-IV* S-II S-I 1:2:1:1 S-I* S-II S-III S-IV S-II* S-I S-III S-IV 1:1:2:1 S-I* S-II S-III S-IV S-I* S-II S-III S-IV 1:1:1:2 S-II* S-III S-IV S-I S-III* S-II S-IV S-I Rys. 7.8. Wyniki analizy wielokryterialnej profil P_1-2 85

profil P_1-3 Rys. 7.9. Profil odbiorcy P_1-3 Tabela 7.17. Moce zainstalowane urządzeń tworzących hybrydowy system wytwórczy dla profilu P_1-3 Urządzenia w układzie Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego hybrydowym S-I S-II S-III S-IV Elektrownie wiatrowe [kw] 4x50 3x50 2x50 50 Panele PV-250 [W p ] 279x250 224x250 146x250 80x250 Ogniwo paliwowe [kw] 50 50 40 20 Elektrolizer [kw] 200 150 100 50 Tabela 7.18. Macierz wypłat dla profilu P_1-3 Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego Kryteria decyzyjne S-I S-II S-III S-IV k 1 [kgh 2 /kwh] 0,272 0,203 0,109 0,004 k 2 [PLN/kWh] 1,1 1,22 1,27 1,41 k 3 [kgco 2 /kwh] 0,33 0,45 0,54 0,62 k 4 [kwh/kwh] 0 1 0,9 0,84 86

Tabela 7.19. Znormalizowana macierz wypłat dla profilu P_1-3 Kryteria decyzyjne Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego S-I S-II S-III S-IV k 1 (min) 0,00 0,26 0,61 1,00 k 2 (min) 1,00 0,62 0,43 0,00 k 3 (min) 1,00 0,60 0,27 0,00 k 4 (max) 0,00 1,00 0,90 0,84 Tabela 7.20. Badanie wpływu wag kryteriów na wynik analizy wielokryterialnej - P_1-3 Stosunek wag Profil odbiorcy P_1-3 kryteriów w 1 :w 2 :w 3 :w 4 α =1 α =2 1:1:1:1 S-II* S-III S-I S-IV S-II* S-III S-I S-IV 2:1:1:1 S-IV* S-III* S-II* S-I S-III* S-IV S-II S-I 1:2:1:1 S-II* S-I S-III S-IV S-II* S-I S-III S-IV 1:3:1:1 S-I* S-II S-III S-IV S-I* S-II* S-III S-IV 1:1:2:1 S-II* S-I* S-III S-IV S-II* S-I S-III S-IV 1:1:3:1 S-I* S-II S-III S-IV S-I* S-II* S-III S-IV 1:1:1:2 S-II* S-III S-IV S-I S-II* S-III S-IV S-I Rys. 7.10. Wyniki analizy wielokryterialnej profil P_1-3 87

profil P_2-3 Rys. 7.11. Profil odbiorcy P_2-3 Tabela 7.21. Moce zainstalowane urządzeń tworzących hybrydowy system wytwórczy dla profilu P_2-3 Urządzenia w układzie Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego hybrydowym S-I S-II S-III S-IV Elektrownie wiatrowe [kw] 3x50 3x50 2x50 50 Panele PV-250 [W p ] 509x250 188x250 118x250 62x250 Ogniwo paliwowe [kw] 50 50 40 20 Elektrolizer [kw] 150 150 100 50 Tabela 7.22. Macierz wypłat dla profilu P_2-3 Kryteria decyzyjne Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego S-I S-II S-III S-IV k 1 [kgh 2 /kwh] 0,228 0,208 0,098 0 k 2 [PLN/kWh] 1,13 1,23 1,28 1,43 k 3 [kgco 2 /kwh] 0,28 0,46 0,54 0,62 k 4 [kwh/kwh] 0 1 0,85 0,78 88

Tabela 7.23. Znormalizowana macierz wypłat dla profilu P_2-3 Kryteria decyzyjne Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego S-I S-II S-III S-IV k 1 (min) 0,00 0,09 0,57 1,00 k 2 (min) 1,00 0,64 0,51 0,00 k 3 (min) 1,00 0,48 0,25 0,00 k 4 (max) 0,00 1,00 0,85 0,78 Tabela 7.24. Badanie wpływu wag kryteriów na wynik analizy wielokryterialnej profil P_2-3 Stosunek wag Profil odbiorcy P_2-3 kryteriów w 1 :w 2 :w 3 :w 4 α =1 α =2 1:1:1:1 S-II* S-III* S-I S-IV S-III* S-II S-I S-IV 2:1:1:1 S-IV* S-III* S-II S-I S-III* S-IV S-II S-I 1:2:1:1 S-I* S-II S-III S-IV S-II* S-III S-I S-IV 1:1:2:1 S-I* S-II S-III S-IV S-I* S-II* S-III S-IV 1:1:1:2 S-II* S-III S-IV S-I S-III* S-II S-IV S-I Rys. 7.12. Wyniki analizy wielokryterialnej profil P_2-3 89

profil P_1-2-3 Rys. 7.13. Profil odbiorcy P_1-2-3 Tabela 7.25. Moce zainstalowane urządzeń tworzących hybrydowy system wytwórczy dla profilu P_1-2-3 Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego Urządzenia w układzie hybrydowym S-I S-II S-III S-IV Elektrownie wiatrowe [kw] 3x50 3x50 2x50 50 Panele PV-250 [W p ] 489x250 169x250 123x250 47x250 Ogniwo paliwowe [kw] 50 50 40 20 Elektrolizer [kw] 150 150 100 50 Tabela 7.26. Macierz wypłat dla profilu P_1-2-3 Kryteria decyzyjne Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego S-I S-II S-III S-IV k 1 [kgh 2 /kwh] 0,234 0,208 0,111 0 k 2 [PLN/kWh] 1,13 1,24 1,29 1,47 k 3 [kgco 2 /kwh] 0,29 0,46 0,54 0,63 k 4 [kwh/kwh] 0 1 0,9 0,82 90

Tabela 7.27. Znormalizowana macierz wypłat dla profilu P_1-2-3 Kryteria decyzyjne Scenariusze obciążeń systemu elektroenergetycznego S-I S-II S-III S-IV k 1 (min) 0,00 0,11 0,53 1,00 k 2 (min) 1,00 0,68 0,53 0,00 k 3 (min) 1,00 0,49 0,25 0,00 k 4 (max) 0,00 1,00 0,90 0,82 Tabela 7.28. Badanie wpływu wag kryteriów na wynik analizy wielokryterialnej profil_1-2-3 Stosunek wag Profil odbiorcy P_1-2-3 kryteriów w 1 :w 2 :w 3 :w 4 α =1 α =2 1:1:1:1 S-II* S-III* S-I S-IV S-III* S-II S-I S-IV 2:1:1:1 S-IV* S-III* S-II S-I S-III* S-IV S-II S-I 1:2:1:1 S-I* S-II* S-III S-IV S-II* S-III S-I S-IV 1:1:2:1 S-I* S-II S-III S-IV S-II* S-I* S-III S-IV 1:1:1:2 S-II* S-III S-IV S-I S-III* S-II S-IV S-I Rys. 7.14. Wyniki analizy wielokryterialnej profil P_1-2-3 91