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