Akumulace energie z OZE - vodíkové hospodářství
Díky cenovým výkyvům na trhu ropných produktů, omezeným zásobám fosilních paliv, globálnímu oteplování a lokálnímu znečištění, geopolitickým tlakům a růstu spotřeby energie se důležitějšími než kdy dříve v historii stávají obnovitelné zdroje energie. K překonání variability výkonu větrných a fotovoltaických elektráren je kromě přesunu spotřeby do období jejího dostatku možno vyráběnou energii uskladnit. Elektrická energie může být uskladněna pouze tehdy, jestliže je převedena na jiné formy energie.
1 ÚVOD
Díky cenovým výkyvům na trhu ropných produktů, omezeným zásobám fosilních paliv, globálnímu oteplování a lokálnímu znečištění, geopolitickým tlakům a růstu spotřeby energie se důležitějšími než kdy dříve v historii stávají obnovitelné zdroje energie a efektivnější využívání fosilních paliv. Využívání obnovitelných zdrojů energie se jeví jako perspektivní varianta, která však má minimálně dvě velké úskalí: (i) kapitálové náklady, (ii) proměnlivý výkon při výrobě elektrické energie. U větrné a solární energie se množství produkované energie mění s ročním obdobím, měsícem, dnem, hodinou, atd. [1, 2]
K překonání problému proměnlivosti výkonu je kromě přesunu spotřeby možno vyráběnou energii uskladnit. Elektrická energie může být uskladněna pouze tehdy, jestliže je převedena na jiné formy energie, jako jsou chemická energie akumulátoru, kinetická energie setrvačníku, elektrostatická energie superkapacitoru atd [1, 2]. Vodík se pro roli úložiště energie hodí výborně, protože je to jedno z nejúčinnějších, nejčistších a nejlehčích paliv, ale na druhou stranu se v přírodě volně nevyskytuje a musí být vyroben z primárních zdrojů energie.
Každá z možností skladování energie má nějaké výhody a nevýhody, v závislosti na době skladování, provozních podmínkách, měrné hustotě energie, materiálu, rychlosti samovybíjení, účinnosti, nákladech, atd. Pro krátkodobé skladování jsou vhodné akumulátory, stlačený vzduch, setrvačník, superkapacitory.
Možnosti vodíku ve srovnání s jinými úložišti energie se zdají být výhodnější, především z důvodu vysoké účinnosti konverze vodík/elektřina a minimálního vlivu na životní prostředí [3]. Pokud je vodík vyroben z obnovitelných zdrojů energie a používán v palivových článcích, tak výsledné produkty jsou pouze teplo a voda, a proto lze říci, že vodík je ekologicky nezávadným palivem.
Koncept vodíkového hospodářství (energetický systém založený na rozsáhlém využití vodíku jako úložiště energie a dopravního média), se objevil v první polovině 70. let. Výsledkem výzkumů za posledních třicet pět roků jsou vývojové a demonstrační projekty vysokých škol, výzkumných ústavů i soukromých subjektů [4].
V současné době je vodík nejčastěji používán jako surovina při chemické výrobě čpavku a ropné rafinaci v objemu 400-500 miliard Nm3/rok. Přibližně 99% vodíku se vyrábí z fosilních paliv, především zemního plynu. Celosvětová roční produkce vodíku je přibližně 50 milionů tun, což představuje 2% spotřeby energie ve světě [3]. Současná cena vodíku je stále vysoká, 2 USD/kgH2 z fosilních paliv a 7 USD/kgH2 při výrobě "solárního" vodíku pomocí fotovoltaiky a elektrolýzy vody. US Department of Energy [5] však očekává, že do roku 2015 klesne cena vodíku na zhruba 1,4 USD/kgH2 z fosilních paliv a 4 USD/kgH2 pro "solární" vodík.
2 HYBRIDNÍ SYSTÉM FV/VODÍK
Ve světě existuje množství hybridních systémů s kombinací fotovoltaika/elektrolyzér/úložiště vodíku/palivový článek. Tyto systémy mohou být připojeny do energetické sítě, nebo pracovat v nezávislých ostrovních systémech. V těchto systémech bývá často používán akumulátor jako krátkodobé úložiště energie, nebo bioplyn jako druhé palivo pro palivový článek.
Typický příklad hybridního systému s připojením do sítě je na Obr. 1.
 |
 |
Obr. 1. schéma základního a rozšířeného hybridního systému
FV/elektrolyzér/vodík/palivový článek [10]
3 SUBSYSTÉM ZAJIŠŤUJÍCÍ ELEKTROLÝZU
Tento subsystém je klíčem k funkčnosti celého systému. Musí vodík jak generovat, tak jej dodávat v požadovaném tlaku, aby mohl být účinně skladován.
V současné době je většina komerčních elektrolyzérů s kapalným zásaditým elektrolytem na střídavý (AC) proud. To umožňuje pro výrobu vodíku použití elektrické sítě nebo jiného energetického systému. Nicméně v tomto případě hybridní energetický systém potřebuje DC-AC měnič. Je-li elektrolyzér stejnosměrného typu (DC), může být spojen s fotovoltaickými panely přímo, nebo přes DC-DC měnič, pomocí kterého lze získat vhodné napětí pro elektrolyzér. V malých systémech, může být elektrolyzér spojen přímo s fotovoltaickými panely, ale při přímém způsobu spojení je velmi obtížné optimalizovat výkonové charakteristiky a pracovní body.
Obr. 2. Příklad vysokotlakého AC alkalického elektrolyzéru Hydrogenics,
10bar, 15Nm3/h, 120kW, [11]
Velký technologický pokrok byl v posledních dvou desetiletích uskutečněn v oblasti PEM (Polymer Electrolyte Membrane) elektrolyzérů, které jsou nyní komerčně k dispozici při tlacích vodíku vhodných k dalšímu skladování [7]. PEM elektrolyzéry byly poprvé vyvinuty v 70. letech a byly nejdříve používány ve vojenském a leteckém průmyslu k zajištění podpory životních funkcí (k výrobě kyslíku na palubě jaderných ponorek, ke zvyšování tlaku kyslíku na palubě letadel a k tvorbě kyslíku na palubě mezinárodní vesmírné stanice).
Funkce PEM elektrolyzéru je ukázána na obr. 3. Voda je přiváděna k anodě, kde se elektrolyticky rozloží na kyslík, protony, a elektrony. Atomy kyslíku se na povrchu elektrody spojují v plynný O2, zatímco protony prostupují přes membránu. Elektrony, pro které je membrána nepropustná, procházejí vnějším obvodem. Na katodě se protony spojují s elektrony a vyvíjí se plynný vodík. Používá se elektrolyt v pevné fázi, nedochází tedy ke kontaminaci plynů, či materiálů systému kyselinou, nebo zásadou. Pevný elektrolyt také umožňuje tvorbu plynů přímo daného tlaku. Typické články mohou generovat vodík při tlaku až do cca 15 bar bez kompresoru. Je jen potřeba zvýšit napětí na elektrolyzéru asi o 30 mV na dekádu vzrůstu tlaku (při přetlaku 1 bar o 0,030 V/článek, při přetlaku 10 bar o 0,60 V/článek).
Obr. 3. PEM elektrolyzér [6]
4 SUBSYSTÉM PALIVOVÉHO ČLÁNKU
Palivový článek je jeden z moderních elektrochemických zdrojů proudu, který umožňuje přímou konverzi energie chemické na elektrickou. Výhodou palivového článku je skutečnost, že elektrody nevstupují do chemické reakce, tudíž nedochází provozem článku ke strukturálním změnám elektrod a článek má teoreticky nekonečnou životnost. Aktivní látky jsou k elektrodám přiváděny z vnějšku a doba činnosti závisí pouze na přivádění reaktantů. Nevýhodou palivových článků je pomalá reakce na změnu zátěže.
Podle složení a skupenství elektrolytu rozeznáváme pět typů palivových článků, přičemž tři z nich jsou ve fázi komerční dostupnosti.
Palivový článek s vodným roztokem hydroxidu (Alkaline Fuel Cells = AFC) je nejstarším z nich, byl vyvinut v 60. letech v projektech vesmírných letů NASA, masového uplatnění se dočkal v projektu Apollo. Jedná se o nízkoteplotní systém, který pracuje až do 90°C. Využívá kapalný alkalický elektrolyt (KOH, nebo NaOH), který se vyznačuje rychlejší kinetikou reakcí a možností použití neplatinových katalyzátorů. Výhodou tohoto systému je spolehlivost a nižší cena v porovnání s ostatními palivovými články. Nevýhodou je kapalný elektrolyt a citlivost na oxid uhličitý, který reaguje s alkalickým elektrolytem za vzniku karbonátů.
Komerčně úspěšný nízkoteplotní je PEM palivový článek (Proton Exchange Membrane). Schematické znázornění PEM palivového článku je uvedeno na Obr. 4. Při reakci palivového článku je palivo (vodík a kyslík, resp. vzduch) dodáváno k elektrodám, vytváří se elektrická energie, teplo a voda jako reakční produkt. Výhodou PEM palivového článku je skutečnost, že elektrolyt je v pevné fázi (Polymerní iontoměničová membrána), nehrozí tedy možnost vylití při poruše, či neodborné manipulaci. Elektrolyt je silná kyselina, nevadí tedy přítomnost vzdušného CO2, nicméně jedná se o vysoce korozní prostředí, kde koroze obecných kovů produkuje ionty, které blokují membránu. Proto je možné použití pouze platiny a na pouzdra článků se používá např. pozlacený titan.
I když obrázky 3. a 4. ukazují na vysoký stupeň podobnosti reakcí u elektrolýzy a u palivových článků, v praktických článcích vznikají problémy týkající se reverzibility elektrod a vodního hospodářství. Katalyzátory nesmí být ovlivněny směrem reakce a voda musí být článkům dodávána v režimu elektrolýzy a naopak odstraňována v režimu palivových článků, jinak by docházelo k zaplavení článků s následným kolapsem.
O vývoji PEM palivových článků bylo již mnoho publikováno, nicméně musíme si uvědomit, že úspěšnost tohoto sytému je dána pokrokem ve výzkumu a vývoji membrány (doposud jediná komerčně úspěšná membrána NAFION), katalyzátoru, struktury článku, atd. Tyto PEM palivové články vodík-vzduch jsou v hledáčku mnoha výzkumných týmů s cílem dosáhnout potřebných technologických parametrů s cenou pod 500 USD/kW pro stacionární aplikace.
Obr. 4. PEM palivový článek [6]
Třetím typem je palivový článek s vodným roztokem kyseliny fosforečné H3PO4 (Phosphoric Acid Fuel Cells = PAFC) Jedná se opět o kyselé pracovní prostředí, kdy tedy nevadí přítomnost CO2 v přiváděném vzduchu. Kyselina fosforečná však má za pokojové teploty vyšší viskozitu, poměrně pomalou kinetiku katodové reakce a nízkou iontovou vodivost kyseliny fosforečné. Tato nevýhoda zaniká při vyšších teplotách, proto tento typ palivového článku patří mezi středněteplotní, s provozní teplotou 180-210°C. Příkladem palivového článku s vodným roztokem H3PO4 je 100 kW Fuji-Electric - viz obr. 5.
Obr. 5. 200kW jednotka PC25 [12]
5 SUBSYSTÉM SKLADOVÁNÍ VODÍKU
Zatímco elektrolýza je klíčem k funkčnosti celého systému, efektivní uchovávání vodíku je klíčem k praktické implementaci. Chceme-li dosáhnout jak technického tak obchodního úspěchu, je nutné, aby způsob skladování vodíku kombinoval náklady, životnost, montáž a další faktory v takové míře, která je přijatelná pro danou aplikaci.
Vodík je možné skladovat buď jako plyn nebo jako kapalinu. V současné době je nejběžnější formou skladování stlačeného vodíku v tlakových lahvích. Ty jsou široce dostupné v průmyslu technických plynů. Bohužel měrná hustota energie tohoto skladovacího média je nízká. Je zřejmé, že při použitém vyšším tlaku vzrůstají náklady a zvyšují se požadavky na bezpečnost.
Obr. 6. Tlakové lahve společnosti Linde Gas a.s.
Další variantou je skladování vodíku v metalhydridových materiálech (a nejnověji v nanouhlíkatých materiálech), kdy se vodík interkalací zabudovává do struktury základního materiálu. Výhodou těchto variant je vyšší objemová hustota skladovaného vodíku při nižších provozních tlacích. Nevýhodou jsou vyšší celková váha slitin pro skladování, omezená kapacita materiálů, obtíže při zpětném uvolňování vodíku, tepelný proces a celkové vysoké náklady na tento systém. Příklad metalhydridového úložiště vodíku je uveden na obr. 7, který pojme 910l a bez dodatečného příslušenství (které řeší tepelný management) trvá plné naplnění 2dny, vyprázdnění jednotky hodin.
Obr. 7. CL-910 Metal hydride hydrogen storage container [13]
Tabulka 1 shrnuje základní hodnocení čtyř možností skladování vodíku od nízkotlakých nádrží až po moderní uhlíkaté a metalhydridové materiály.
| Vlastnost | Nízkotlaké nádoby | Vysokotlaké nádoby | Uhlíkové nanotrubice | Metalhydridy |
|---|---|---|---|---|
| Objem | Vysoký | Střední | Nízký | Nízký |
| Hmotnost | Střední | Střední | Nízký | Střední |
| Cena | Nízký | Nízký, kompresor | ? | Vysoký, snižování |
| Životnost | 20+ | 20+ | ? | ? |
| Teplotní efekt | Žádný | Žádný | ? | Ohřev při plnění |
| Měření zbytku | Přímý-tlak | Přímý-tlak | ? | Tlak, teplota |
| Dodatečné zařízení | Žádný | Kompresor | ? | Čistota |
| Risk | Nízký | Nízký | Vysoký | Střední/Nízký |
Tab. 1. Srovnání technologií skladování vodíku [6]
6 PŘÍKLADY PROJEKTŮ
Tabulka 2 uvádí hlavní hybridní energetické systémy se "solárním" vodíkem, které byly instalovány pro stacionární výrobu energie a jejich konkrétní specifikace. Téměř všechny byly finančně podporovány vládami, vysokými školami a vědeckými institucemi. Dále si přibližme některé systémy.
Tab. 2. Hybridní systémy fotovoltaika/elektrolyzér/vodík/palivový článek pro stacionární výrobu elektrické energie a jejich specifikace [5]
Integrovaný systém vodíku a obnovitelných zdrojů energie (HARI) [9]. Projekt ve West Beacon Farm v Leicestershire, Anglie zkoumá možnosti ukládání energie z obnovitelných zdrojů nestálého výkonu pomocí vodíku. Projekt běží od r. 2002. Hybridní systém se skládá z 36 kW elektrolyzéru, 2856 Nm3 tlakových nádob a dvou palivových článků 2 a 5 kW. Tento systém byl přidán ke stávajícímu systému obnovitelných zdrojů elektrické energie, který zahrnuje dvě větrné elektrárny s kombinovaným výkonem 50 kW, solární FV pole s celkovým výkonem 13 kW a asi 3 kW mikro vodní elektrárnu. Celý systém slouží k pokrytí energetických potřeb místní minisítě na farmě. Lokální distribuční sít elektrické energie je vytvořena na stejnosměrném napětí ke snadnějšímu řízení různých technologií zdrojů energie.
Obr. 8. Integrovaný systém v West Beacon Farm v Leicestershire [9]
Projekt HARI ilustruje koncept vodíkového hospodářství s cílem nezávislosti na rozvodné síti a samostatnosti pro West Beacon Farm. Cílem projektu je prokázat životaschopnost ostrovního energetického systému, a získat zkušenosti s vývojem softwarových modelů, které lze použít při návrhu podobných hybridních obnovitelných systémů.
Jeden z posledních hybridních systémů s vodíkovým hospodářstvím, byl nainstalován v únoru 2007 v Clean Energy Center (CEC) v areálu Pamukkale University v Denizli, Turecko [5]. Tento vodíkový systém je podporován tureckou státní plánovací organizací (TSPO) a některými soukromými společnostmi (Bereket Energy Co a Nexans Inc.). V budově jsou použity pasivní i aktivní solární systémy vytápění. Pro pasivní vytápění jsou použity dvojstěnné sklopné okna a cihly s izolační mezerou. Pro aktivní vytápění jsou na horní části domu umístěny sluneční kolektory. Cílem bylo navrhnout unikátní integrovaný systém pro dům, kde budou zajištěny všechny energetické potřeby pouze pomocí sluneční energie bez vstupů fosilních zdrojů. Pro tento účel bylo instalováno 5 kW FV pole. K zajištění kvalitní vody potřebné pro elektrolyzér byl použit filtr a deionizer. Elektrolyzér byl typu PEM. Pro skladování vodíku byl zvolen metalhydridový systém OVONIC 85G250B, který je velmi bezpečný a je schopen pojmou v malém objemu velké množství vodíku, na druhé straně však vodík musí být velmi vysoké čistoty. V rámci tohoto projektu se používají v případě potřeby dva PEM palivové články NEXA k výrobě elektrické energie z uloženého vodíku. Výkonové moduly dodávají neregulovaný výkon 1,2 kW s nominálním DC výstupním napětím 26 V.
Srovnání energetických účinností jednotlivých komponent systému je uvedeno v tabulce 3. Pro fotovoltaické panely se energetická účinnost pohybuje mezi 11,2% a 12,4% za rok. Energetické účinnosti výkonových částí systému (nabíjecích regulátorů a měničů) a baterií jsou převzaty z literatury a pohybují se mezi 85 až 90%. Energetická účinnost elektrolyzéru PEM je počítána pro daný jmenovitý výkon a množství vodíku. Výkon potřebný pro pomocné zařízení (oběhové čerpadlo, čistící jednotky, střídač atd.) je také započítán. Energetická účinnost elektrolyzéru v systému je 56%. Energetická účinnost dvou systémů palivových článků byla také vypočítána v závislosti na kolísání zatížení. Energetická účinnost jednoho modulu je mezi 44% a 30%. Také lze konstatovat, že účinnost klesá se zvyšujícím se výkonem vyráběné elektrické energie.
| Komponenta | Energetická účinnost (%) |
|---|---|
| FV články | 11,2-12,4 |
| Akumulátory | 85 |
| Střídač | 90 |
| Elektrolyzér | 56 |
| Úložiště vodíku | 100 |
| Palivové články | 30-44 |
Tab. 3. Průměrné energetické účinnosti částí hybridního systému [5]
V zájmu získání celkové energetické účinnosti systému byly sledován tři různé cesty energetických toků:
- FV- regulátor - střídač,
- FV - regulátor - baterie - střídač,
- FV - regulátor - střídač - elektrolyzér - palivové články - střídač
Celková energetická účinnost systému je uvedena na obr. 4. Lze shrnout, že celková energetická účinnost je velmi nízká kvůli prvotní přeměně sluneční energie - jen asi 12% je využíváno fotovoltaickými panely na výrobu elektrické energie. Při celkové analýze energetické účinnosti bylo zjištěno, že maximální energetické účinnosti systému jsou vypočteny 9,7%, 8,5% a 1,79% u varianty 1, 2 a 3 (Obr. 4). Jak je patrné z výpočtů, cesta tři má nejnižší energetickou efektivitu díky přidání elektrolyzéru, palivových článků a druhého střídače pro výrobu a využití vodíku.
Obr. 10. Minimální a maximální energetická účinnost hybridního energetického systému pro tři rozdílné cesty energetických toků [5]
7 ZÁVĚR
Výroba vodíku a jeho další použití jako úložiště energie z obnovitelných zdrojů elektrické energie stále vyžaduje vývojové práce vedoucí ke snížení energetické náročnosti i ceny zařízení a palivové články jsou stále výkonem i cenou daleko za hospodářskou konkurenceschopností. Očekává se však, že v následujících desetiletích palivové články a vodík vyrobený z fosilních, obnovitelných a jaderných zdrojů energie vstoupí na energetický trh, stejně jako do oblasti dopravy, průmyslu a bydlení. Vodík se stane konkurenceschopným dalším palivům a bude hrát významnou roli při snižování emisí a zvyšování bezpečnosti světové energie.
PODĚKOVÁNÍ
Tato práce vznikla v rámci řešení operačního programu EU CVVOZE (CZ.1.05/2.1.00/01.0014) a interního grantu VUT č. FEKT-S-10-14
LITERATURA
[1] Dostál, Z.: Energy payback period of wind power plant as a result of Life Cycle Assesment and relation to Capacity factor. In: Acta Montanica Slovaca
[2] Dostál, Z., Bobek, M., Župa, J.: Meranie globálneho slnečného žiarenia. Zborník konferencie RESPECT, 2. ročník, Tatranská Lomnica, 3. - 5. 10. 2007, In: Acta Montanica Slovaca, roč. 13 (2008), číslo 3, str. 355-360, ISSN 1335-1788.
[3] Ledjeff K. Comparison of storage options for photovoltaic systems. International Journal of Hydrogen Energy 1990;15(No. 9):629-33.
[4] Midilli A, Dincer I. Key strategies of hydrogen energy systems for sustainability. International Journal of Hydrogen Energy 2007;32:511-24.
[5] National Academy of Sciences. The hydrogen economy: opportunities, costs, barriers, and R&D needs. National Academies Press, ISBN 0-309-09163-2; 2004.
[6] A. Yilanci, I. Dincer, H.K. Ozturk, A review on solar-hydrogen/fuel cell hybrid energy systems for stationary applications, Progress in Energy and Combustion Science 35 (2009) 231-244
[7] W. Smith, The role of fuel cells in energy storage, Journal of Power Sources 86 2000 74-83
[8] Schucan T. International Energy Agency hydrogen implementing agreement task 11: integrated systems final report of subtask A: case studies of integrated hydrogen energy systems. Chapter 4. IEA/H2/T11/FR1-2000, 2000.
[9] Gammon R, Roy A, Barton J, Little M. Hydrogen and renewables integration (HARI), international energy agency hydrogen implementing agreement, case study, 2006.
[10] Hedström L., Wallmark C., Alvfors P., Rissanen M., Stridh B., Ekmanc J.: Description and modelling of the solar-hydrogen-biogas-fuel cell system in GlashusEtt, Journal of Power Sources 131 2004 340-350
[11] Hydrogenics, http://www.hydrogenics.com/, 2010.
[12] UTC Fuel Cells, A United Technologies Company, http://www.ifc.com
[13] http://www.hydrogencomponents.com
Price fluctuations of crude oil and limited fossil resources besides of global warming and local pollutions and contamination, geopolitical pressure and growing of energy consumption are main reasons for higher utitisation of renewable electricity sources. There are two solutions how overcome variability of output of wind and photovoltaic power plants. One of them is transposition of consumption into time when energy is available. The other is accumulation. The only way of electricity accumulation is to transrofm in into another type of energy.