Kogenerácia – kombinovaná výroba energií (2) - iDB Journal

idbjournal.sk

Kogenerácia – kombinovaná výroba energií (2) - iDB Journal

Kogenerácia – kombinovaná výroba energií (2)

Pri uspokojovaní svojich energetických potrieb si dnes nevieme predstaviť život bez využívania rôznych druhov energií. Kogenerácia,

ktorej sa venuje tento seriál, je kombinovaná výroba potrebných druhov energií na mieste ich spotreby. V dnešnom diele sa pozrieme

na kogeneračné systémy s palivovými článkami.

Palivový článok – kogeneračný systém s priamou

premenou primárnej energie

Palivový článok vynašiel už v roku 1839 sir Wiliam Robert Growe.

Prvá významná vedecko-technická aplikácia však vznikla až

o 120 rokov neskôr, keď NASA využila palivové články ako zdroj

elektrickej energie pre vesmírne moduly Apollo. V súčasnosti sa

naplno rozbieha vývoj a nasadenie kogeneračnej technológie založenej

na princípe palivových článkov vo veľkej energetike na združenú

výrobu tepla a elektrickej energie aj v automobilovom priemysle,

kde sa s palivovými článkami počíta ako zo zdrojom energie na

pohon elektromobilov.

Palivový článok je transformátor chemickej energie na elektrickú

jej priamou premenou. Principiálna schéma palivového článku je

znázornená na obr. 1.

Palivový článok sa teda skladá z dvoch elektród oddelených elektrolytom

alebo iónovomeničovou membránou. Jednotlivé palivové

články sa skladajú do zväzkov (stackov) a sú od seba oddelené

bipolárnymi doskami, ako to znázorňuje obr. 2. Výkon takto zostaveného

zväzku palivových článkov akéhokoľvek typu je obmedzený

iba ich počtom.

Na elektródach dochádza k chemickým reakciám palivového článku.

Palivo aj okysličovadlo sa prevažne privádzajú vo forme plynu,

a preto je dôležitá čo najväčšia kontaktná plocha elektród. Elektróda

a palivo sú zároveň v kontakte aj s elektrolytom a tak vzniká oblasť,

kde sa dotýkajú tri fázy. Na tejto hranici sa vodíkové elektróny

uvoľňujú a katióny putujú do elektrolytu, resp. sa opätovne zlučujú

s atómami kyslíka, následkom čoho vzniká voda. Z tohto dôvodu

majú elektródy pórovitú štruktúru, pretekaniu elektrolytu cez ich

jadro zabraňuje tlak plynu.

Obr. 1 Priestorové zobrazenie toku médií a elementárnych častíc

pre typický palivový článok

Funkciu palivového článku tiež možno symbolicky opísať vzťahom:

palivo + kyslík –> energia + voda

Pod pojmom energia tu rozumieme elektrickú, ale aj tepelnú energiu,

na rozdiel od obyčajného horenia, pri ktorom sa uvoľňuje iba

tepelná energia. Palivo, napríklad vo forme vodíka, sa privádza na

anódu palivového článku. Tu sa atóm vodíka zbavuje svojho jediného

elektrónu, čím sa mení na kladný ión H + . Na anóde dochádza

k opačnému procesu za účasti kyslíka, kde sa atóm kyslíka zlučuje

s dvoma elektrónmi a vzniká anión O 2- . Ión H + potom migruje prostredníctvom

elektrolytu smerom ku katóde.

Obr. 2 Uloženie palivových článkov do zväzku

Uvoľnené elektróny tiež putujú smerom ku katóde, avšak inou cestou,

elektrickým vodičom. Tým vzniká elektrický prúd v uzatvorenom

obvode. Katióny vodíka sa na katóde zlučujú s kyslíkovými

aniónmi, čím sa dokončí chemická reakcia premeny vodíka a kyslíka

na vodu.

28 5/2011

Obr. 3 Schematický rez elektródou palivového článku

Katalyzátory majú za úlohu spúšťať alebo urýchľovať chemické

reakcie v palivovom článku, pričom reakciami sa samy neopotrebúvajú.

Ideálnymi materiálmi na aktivitu vodíka (ktorý je najviac

používaným palivom palivových článkov) v kyslom prostredí sú platina,

paládium a nikel. Platina je tiež najvhodnejším katalyzátorom

na redukciu kyslíka. V súčasnosti sa v palivových článkoch začínajú

presadzovať biotechnológie, keď sa namiesto kovových katalyzátorov

využívajú biologické enzýmy.

Bipolárne dosky sú umiestnené medzi jednotlivými článkami, pričom

tvoria zväzky. V prvom rade umožňujú kontakt medzi jednotlivými

článkami a tak vedú elektrický prúd. Chladiace kanáliky odvádzajú

odpadové teplo z chemických reakcií. Palivové kanáliky slúžia

na prepúšťanie paliva k elektródam článkov a zároveň odvádzajú

odpadové produkty reakcií.

Elektrolyt je elektrický izolátor umožňujúci tok voľných elektrónov

po obvode palivového článku. Nachádza sa medzi anódou a katódou

a vytvára medzi nimi elektrické napätie. Ak je palivom vodík,

dosahuje toto napätie hodnotu približne 1,23 V. Pri výbere elektrolytu

sa hlavný dôraz kladie na jeho dielektrickú schopnosť a tiež

na jeho odolnosť proti degradácii pri použití uhľovodíkového paliva.

Ako palivo pre palivové články sa najviac využíva čistý vodík, ktorý

reaguje priamo s okysličovadlom, pričom vzniká voda a elektrický

prúd. Vodík chápeme ako nositeľa veľmi kvalitnej energie,

avšak nie ako jej zdroj. Vodík sa na Zemi prakticky nevyskytuje,

nachádza sa vždy iba v zlúčenine, z ktorej sa musí separovať.

Veľmi nízka hmotnosť vodíka a z toho vyplývajúci veľký objem v

plynnom stave vedú k jeho problematickému uskladňovaniu. Kvôli

tomu sa začali vyvíjať palivové články využívajúce vodík chemicky

obsiahnutý v metáne. Takéto palivá sa nazývajú nepriame, ich

reformáciou vzniká vodík a oxidy uhlíka. Zemný plyn obsahuje

až 98 % CH4, ktorý má veľmi priaznivý pomer atómov vodíka a


uhlíka 4 : 1. Ako najekonomickejšie riešenie separácie vodíka sa

používa parná reformácia zemného plynu. Ako parný reforming

vyšších uhľovodíkov alebo alkoholov je reakcia vody s metánom

silne endotermická s entalpiou +206,3 kJ/mol pri teplote približne

800 °C. Potrebné teplo sa získava spaľovaním paliva, ktoré nezreagovalo

v palivovom článku počas elektrochemickej reakcie. Vďaka

vysokej pracovnej teplote a nízkemu tlaku je účinnosť reakcie vysoká

a tvorí sa veľké množstvo vodíka. Vznik reakčných produktov je

ovplyvnený termodynamickou stabilitou reakcie vody s metánom.

Reforming zemného plynu sa využíva predovšetkým pri palivových

článkoch s vyšším výkonom, ktoré sú nasadzované vo veľkej energetike

ako združené zdroje výroby tepla a elektrickej energie. V tomto

segmente sú nasadzované prioritne palivové články s vysokou pracovnou

teplotou, všeobecne od 600 do 1 000 °C.

Palivové články využívané ako zdroj energie

Palivové články sa podľa druhu použitého elektrolytu rozdeľujú

na šesť základných typov, ktoré sú podľa pracovnej teploty rozdelené

do troch kategórií.

v rodinných domoch a menších penziónoch, ako aj o kogeneračné

jednotky s vyšším elektrickým a tepelným výkonom na priemyselné

využitie. Veľký potenciál uplatnenia kogeneračných jednotiek

sa otvára v automobilovom priemysle v rozvíjajúcom sa segmente

elektromobilov. Tieto riešenia sú však pomerne finančne náročné

a nedosahujú komfort prevádzky kogeneračných jednotiek založených

na nepriamom spôsobe transformácie primárnej energie.

Všetky nedostatky technológie palivových článkov však možno

vývojom a výskumom odstrániť a v dohľadnom čase preto treba

s kogeneráciou na princípe palivových článkov uvažovať ako

so zdrojom na uspokojenie energetických nárokov.

V budúcom diele seriálu sa budeme venovať najrozšírenejšiemu typu

kogenerácie –-so spaľovacími motormi, ktorá patrí k nepriamemu

spôsobu transformácie primárnej energie. Prioritne sa zameriame

na segment mikrokogenerácie a podrobne si predstavíme činnosť

a jednotlivé funkčné bloky mikrokogeneračnej jednotky so spaľovacím

motorom.

Obr. 4 Rozdelenie palivových článkov

Na základe svojej štruktúry a technológie práce dosahujú palivové

články rôzny výkon a možno teda stanoviť rozsah ich použitia

(obr. 5).

Obr. 5 Rozsah možného využitia palivových článkov podľa

ich výkonu

Kogenerácia s palivovými článkami je stále predmetom intenzívneho

vývoja; v ostatnom čase už prenikli prvé lastovičky v podobe

komerčne dostupných riešení kogenerácie na báze palivových

článkov. Ide o mikrokogeneračné jednotky vhodné na nasadenie

Obr. 6 Mikrokogeneračná jednotka využívajúca palivové články

Ing. Ján Adamec, PhD.

ESM-YZAMER, energetické služby a monitoring s.r.o.

adamec@yzamer.sk

Domat Control System dodáva monitoring FVE

do Belgicka

Domat Control System dokončil cez letné prázdniny v spolupráci

s americkou firmou Advanced Energy monitorovací systém

pre 1,68 MWp elektráreň v Antverpách. Dodávka obsahuje 24

zberných rozvádzačov s meraním stringových prúdov, integráciu

striedačov Solaron a grafickú riadiacu stanicu.

„Je to naša prvá spoločná systémová dodávka do zahraničia.

V Českej republike sme s AE vlani realizovali niekoľko projektov,

na ktorých sme si overili možnosť úzkej spolupráce

s výrobcom striedačov v bipolárnom zapojení. V Belgicku ide

o strešnú inštaláciu umiestnenú na logistickom centre významnej

belgickej dopravnej firmy. Budova je umiestnená neďaleko

mora a rozvádzače sú vystavené extrémnym poveternostným

podmienkam, niekedy doslova prší slaná voda s pieskem. Skrine

sme museli dovybaviť prídavným krytím. V poslednom júlovom

týždi náš technik dokončil softvérové práce a diaľkové pripojenie

na centrálu“, hovorí Radim Barša, obchodný riaditeľ segmentu

obnoviteľných zdrojov.

Domat Control System v júli začal ďalší obchodný rok. Plánovaný

obrat uplynulého obdobia, 55 mil. Kč, bol prekročený o viac

než 39%, na čom sa hlavnou mierou podieľalo prudké zvýšenie

dopytu po monitoringu predovšetkým českých fotovoltických

elektrární.

„Ku koncu minulého roku sme mysleli, že s koncom nových

inštalácií v Českej republike sa prepadne i obrat v monitorovacích

systémoch. Skutočnosť však bola úplne opačná; investori

vlani monitoring inštalovať jednoducho nestíhali a až tento rok

zisťujú, že pre riadny chod a teda projektovaný výnos musia byť

elektrárne doplnené systémom, ktorý poskytne trvalý prehľad

o výrobných dátach a alarmových hláseniach“, dodává Barša.

Podobná situácia nastává napríklad i v Taliansku, kam

Domat Control System pripravuje dodávku (opäť v spolupráci

s Advanced Energy) rozvádzačov a monitoringu pre sústavu

elektrární s celkovým výkonom 55 MWp. Projekt by mal byť

dokončený behom tohtoročnej jesene.

www.domat.cz

5/2011

29

More magazines by this user
Similar magazines