Topíme a svítíme palivovým článkem, část 2. – vodík a metanol

• Topíme a svítíme palivovým článkem, část 1. – zemní plyn

Chemické baterie jsou nejúčinnější způsob ukládání elektřiny, ale také ten nejdražší. Pokud bychom si chtěli v létě uskladnit stovky kilowatthodin na zimu, potřebovali bychom řádově větší, a tedy i dražší baterie, než se dnes běžně instalují. Byly by velmi drahé a jejich kapacita by byla využita jen pár měsíců v roce. Vodíková nádrž je mnohem levnější řešení velkokapacitní akumulace, ovšem pro její využití potřebujete elektrolyzér a palivový článek. Další možností je využití ekologické elektrocentrály v podobě palivového článku na metanol.

Několik aplikací palivových článků pro ostrovní provozy bylo k vidění na veletrzích ISH 2019 a The Smarter E Europe 2019 (Intersolar 2019). Vodíková řešení ale stále mají společné to, že je zatím nelze koupit (rok 2019).

Offgrid systém s bateriemi a palivovým článkem – HPS Picea

Pod nenápadným názvem a v ještě nenápadnějším stánku berlínské společnosti Home Power Solutions (HPS) na okraji výstavní haly na ISH ve Frankfurtu stála nenápadná modrobílá skříň s nápisem Picea, obsahující systém pro 100% energetickou nezávislost rodinného domu. Na rozdíl od klasických off-grid systémů ale Picea není pro nepřízeň počasí zálohována elektrocentrálou na fosilní paliva, ale baterií, elektrolyzérem, vodním zdrojem, vodíkovou nádrží a palivovým článkem. Vizuálně je veškerá technika integrovaná do velké „lednice“, mezi externí součásti patří fotovoltaika, vodíková nádrž a zásobník teplé vody.

Zdrojem primární energie pro celý systém je fotovoltaická elektrárna o velikosti přibližně 8 – 12 kW. Ta pohání domácí spotřebiče a přebytečnou energii ukládá do tzv. denního úložiště, což jsou olověné baterie s využitelnou kapacitou 25 kWh (základní hodnota, v případě potřeby lze navýšit). To je pro rodinný domek dost vysoká hodnota, např. domácí baterie Tesla Powerwall 2 má kapacitu 7 kWh, zde má však tato kapacita svůj důvod, a tím je elektrolyzér.

Elektrolyzér vyrábí z vody a elektřiny vodík, který je následně stlačený uskladněn v externí nádrži sloužící jako sezónní úložiště. Nádrž o velikosti zhruba dvou kubických metrů je k dispozici v ekvivalentu 350 – 1000 kWhel, tzn. toto množství elektřiny lze z vodíkové nádrže přes palivový článek skutečně získat. To znamená, že během léta by se měla v nádrži nashromáždit takové množství energie, které bude domácnosti vybavené Piceou stačit na překlenutí zimního období. Vedlejším produktem (emisí) elektrolyzéru je kyslík, který je vypouštěn do ovzduší. V domě pro něj není žádné využití, které by se vyplatilo.

HPS a jejich systém Picea na veletrhu ISH 2019

V případě, že fotovoltaika s bateriemi nezvládne vyrobit dostatek elektřiny (zimní období, nárazově vysoká spotřeba), připojí Picea palivový článek, a začne z uloženého vodíku a vzduchu čerpaného zvenčí vyrábět elektřinu a nabíjet baterii. Emisí je v tomto případě čistá voda, která je dále využita v domě.

Druhým odpadním produktem při provozu celého zařízení, tj. elektrolyzéru, palivového článku a baterií, je teplo. Součástí systému Picea je tudíž i tepelný zásobník na vodu a větrací jednotka s rekuperací, která využívá teploty jak celého systému, tak dalších teplotních zisků z domu, např. z kuchyně. Teplo vznikající elektrolýzou nebo konverzí vodíku v palivových článcích tak pomáhá k ohřevu vody v tepelném zásobníku, a je-li potřeba, k ohřevu vzduchu v domě. Picea není primárně určena na vytápění domu, ale je-li dům v pasivním standardu, umí k ní v HPS navrhnout i adekvátní elektrické vytápění.

Elektrický výkon systému je až 20 kW (špičkově) a 1,5 – 7 kW stabilně. Celý systém ročně vyrobí 3 – 6 MWh elektřiny. Tepelný výkon není garantován, záleží na ročním období a na zařízeních, která jsou zrovna v provozu. Monitoring a ovládání celého systému probíhá přes mobilní aplikaci.

Základní otázkou u tohoto zařízení zůstává cena takto komplexního systému. Zjednodušeně řečeno, jsem-li dost bohatý, abych si domů pořídil velkou fotovoltaiku, 25 kWh baterií (byť olověných), elektrolyzér, palivový článek a vodíkovou nádrž, nebude výhodnější k velké fotovoltaice prostě koupit dostatečně velkou baterii, třeba pár baterií Tesla Powerpack? Celý systém tak bude mnohem jednodušší (fotovoltaika – měnič – baterie – domácí síť) a vyhnu se celému vodíkovému hospodářství.

Odpověď je v kapacitě vodíkového (sezónního) úložiště, která čítá stovky kilowatthodin. Taková kapacita v bateriích by byla mnohem náročnější nejen cenově, ale i prostorově. Vodík má energetickou hustotu zhruba 33,3 kWh/kg, největší ze všech paliv a zhruba stokrát vyšší než nejlepší dnes dostupné baterie. Vodíková nádrž tak zabere jen málo prostoru oproti baterii. Zejména díky relativně levné vodíkové nádrži by měla být Picea levnější v poměru cena/kapacita, než systém vybavený jen bateriemi.

Vysoká cena i složitost systému zde vychází z důrazu na 100% soběstačnost při nulových nežádoucích emisích. Pokud je uživatel ochoten se smířit s určitým množstvím emisí a s částečnou závislostí vyplývající z nutnosti dokupovat palivo, zvolí pro zálohu svého off-grid systému menší baterii a běžně dostupnou benzinovou/dieselovou elektrocentrálu za zlomek ceny.

Čistě vodíkové řešení pro elektřinu i teplo – Solenco Powerbox

Italská společnost Giacomini koketovala s využitím vodíku už v minulosti. Nyní zainvestovala do belgické společnosti Solenco Power, se kterou vyvíjí domácí vodíkovou kogenerační jednotku zvanou Solenco Powerbox. Zařízení, dříve známé jako Giacomini Powerbox, sdružuje elektrolyzér a palivový článek, umí vyrábět vodík, elektřinu a teplo.

Solenco powerbox na stánku Giacomini na veletrhu ISH 2019

Zdrojem elektřiny pro pohon Powerboxu je domácí fotovoltaická elektrárna o výkonu alespoň 10 kWp. Elektřina z fotovoltaiky je využita pro okamžitou spotřebu v domě a přebytky jdou do elektrolyzéru. Ten z elektřiny a vody vyrobí vodík, který uskladní v externí vodíkové nádrži. Pokud je potřeba více elektřiny, použije se uložený vodík na výrobu elektřiny. Při obou procesech vzniká teplo, které je využito na přípravu teplé vody. Součástí zařízení je proto 200l zásobník teplé vody.

Powerbox využívá vodík nejen k výrobě elektřiny, ale i přímo k výrobě tepla. Zde se dostává ke slovu technologie katalytického vodíkového kotle dlouhodobě vyvíjeného u Giacomini. Jedná se o kondenzační kotel, kde je k reakci vodíku se vzduchem použit katalyzátor. Získané teplo je použito na vytápění i na ohřev teplé vody. Emisí zařízení je čistá voda.

Výkon celého powerboxu je 5 kW v elektřině a 5 kW tepelných. Zařízení může pracovat v různých aplikacích, společně s dalšími systémy vytápění, nebo akumulace elektřiny (baterie, ultrakapacitory). Systém funguje v ostrovním i hybridním režimu a dá se ovládat přes internet. Zařízení již pokročilo z prototypové fáze, sériové řešení zatím čeká na certifikaci.

Palivový článek na metanol – ekologická elektrocentrála, která se dá koupit

Kdo by chtěl fotovoltaiku zálohovat elektrocentrálou, ale příčí se mu spalování benzínu nebo nafty, může vyzkoušet alternativu v podobě palivového článku na metanol. Nabízí ho bavorská společnost SFC Energy pod názvem EFOY. Nejedná se o startup, SFC se chlubí desítkami tisíc funkčních aplikací po celém světě.

Metanol má řadu výhod. Především není tak reaktivní jako vodík, lze ho snadno přepravovat, snadno skladovat, bez obav s ním manipulovat, je ekologicky nezávadný a bez výrazného zápachu. Metanol má energetickou hustotu necelou 1 kWh na kilogram, resp. 1,1 kWh na litr. To je sice 33 krát méně, než vodík, ale pořád zhruba 3x více, než baterie. Metanolový palivový článek je tak velmi bezpečný, nižší energetická hustota metanolu má však za následek nižší výkon zařízení. EFOY v nejmenší variantě dodává 25 W (špičkově 45 W), v nejsilnější 400 W (ve špičce 500 W). V porovnání s jinými palivy to není mnoho, jednotlivé články lze ovšem „štosovat“ a tak dosáhnout výkonu až několika kilowattů.

Palivový článek EFOY v přenosné verzi se dvěma metanolovými cartrigemi na veletrhu Intersolar 2019

Security robot poháněný palivovým článkem EFOY na veletrhu Intersolar 2019

Stejně jako ostatní palivové články vyrábí i EFOY z paliva elektřinu naprosto tiše a s vysokou účinností. Emisí je jen minimální množství vodní páry, tepla a čistého CO₂. SFC Energy u svých článků deklaruje bezúdržbovost, spolehlivost, bezpečnost, nízkou váhu a malé rozměry. Palivový článek je k dostání v několika velikostech a dají se k němu připojovat různě velké plastové kanystry s metanolem, které SFC Energy nazývá „cartridge“. Čím větší kanystr nebo čím víc kanystrů, tím delší dodávka elektřiny. Spotřeba EFOYe je 0,9 l metanolu na kilowatthodinu elektřiny. Pro optimální provoz zařízení je nutný velmi čistý metanol, SFC proto jako zdroj metanolu doporučuje pouze své vlastní cartridge EFOY.

Typické použití palivových článků EFOY je zdroj elektřiny odlehlých oblastech, kde stačí jednou za čas vyměnit prázdné cartridge za plné. EFOY funguje ve velkém rozsahu teplot od – 40 do + 50 °C. Uplatní se zejména u vysílačů, dopravních návěstidel nebo různých monitorovacích systémů (kamery, bezpečnostní čidla, meteostanice…), ale i třeba na lodích nebo v armádě. A nic nebrání jeho využití v domácnosti v kombinaci s fotovoltaikou a baterií, kde se uplatní úplně stejně jako elektrocentrála. Startuje automaticky, neslyšně a téměř bez emisí.

Palivové články EFOY jsou nabízeny v rozličných typech instalace od stacionárních skříní až po bedny s uchy pro snadné přenášení. A jak je dnes zvykem, vše lze ovládat a sledovat přes internet.