Alternatívne zdroje energie na báze palivových článkov

V článku sa prezentujú výsledky skúmania využitia alternatívnych zdrojov energie na báze palivových článkov. Ide o tri, na trhu už dostupné palivové články – palivový článok na zemný plyn s menovitým elektrickým výkonom 1 400 kWe a palivové články na vodík s menovitými elektrickými výkonmi 30 a 60 kWe, vhodné aj na pohon dopravných prostriedkov.

Palivový článok je galvanický článok skladajúci sa z dvoch elektród (anóda a katóda), oddelených membránou alebo elektrolytom. K anóde sa privádza palivo, ku katóde okysličovadlo. Na katóde sa okysličovadlo (väčšinou kyslík) redukuje na anióny O2-, ktoré potom reagujú s iónmi H+ na vodu. Elektródy palivového článku sú katalyticky a reaktívne stabilné.

Palivové články môžu pracovať nepretržite, ak nie je prerušený prívod paliva alebo okysličovadla k elektródam. Palivový článok je elektrochemické zariadenie, ktoré priamo premieňa chemickú energiu paliva a okysličovadla na elektrickú energiu. Pri premene elektrickej energie sa generuje aj teplo, ktoré možno využiť na vykurovanie, prípravu teplej vody (TV) alebo na pohon absorpčných chladiacich zariadení.

V súčasnosti sú na trhu dostupné stabilné palivové články s pomerne veľkým menovitým výkonom s palivom zemný plyn a kyslíkovo-vodíkové palivové články používané na pohon automobilov. Vodík ako palivo sa môže získať pomocou elektrolýzy vody. Potrebný kyslík pre palivový článok sa môže získavať z atmosféry.

Palivový článok na zemný plyn

Skúmané palivové články na zemný plyn sú vhodné na nepretržitú prevádzku. Vzhľadom na to, že spaliny odchádzajúce zo zariadenia majú pomerne vysokú teplotu, sú vhodné aj na výrobu pary.

Základné prevádzkové parametre palivového článku

Na obr. 1 sú uvedené základné prevádzkové parametre palivového článku typu Sure-Souce 1500. V prípade zníženia teploty spalín pomocou výmenníka tepla na ohrev vody na vykurovanie do 120 °C alebo na ohrev vody na vykurovanie a prípravu TV do teploty 50 °C sa dosiahne celková účinnosť zariadenia 69, resp. 84 %. Na obr. 2 je znázornený Sankey diagram skúmaného palivového článku.

Prípustné investičné náklady na palivový článok

Prípustné investičné náklady na skúmaný palivový článok sme vypočítali pri predpoklade, že ekonomická životnosť zariadenia je pätnásť rokov, minimálna prijateľná miera návratnosti (MARR) je 5 % a cena zemného plynu je 8 €/GJ. Ďalej sme predpokladali, že teplo získané zo spalín sa bude predávať za tú istú cenu, ktorú by spotrebiteľ zaplatil za zemný plyn v prípade, že by teplo vyrábal v kotle s priemernou účinnosťou 92 %.

Vyrábaná elektrina bude kryť vlastnú spotrebu. V analýze sme počítali s cenou 0,1 €/kWh. Predpokladaný čas prevádzky je 8 000 h/rok. Za týchto predpokladov bol ročný príjem 1,09 milióna eur, k tomu prislúchajúce investičné náklady P15yrs, 5 % predstavujú 11 miliónov eur (obr. 3). Ak bude prijateľná miera návratnosti 10 %, prípustné investičné náklady budú nižšie, P15yrs, 10 % = 8 miliónov eur.

Palivové články na vodík

Skúmané palivové články (PČ) na vodík (H2) sú vhodné na pohon automobilov, to znamená aj na premenlivú prevádzku. V nasledujúcich odsekoch uvedieme príklad ich integrovania do sústavy vykurovania a TV a výsledky analýzy výroby elektriny zo slnečnej energie na výrobu vodíka elektrolýzou a výroby elektriny v palivovom článku.

Integrovanie PČ do sústavy vykurovania a TV

Na obr. 4 je znázornený Sankey diagram palivového článku CELERITY, na obr. 5. typická a odporúčaná schéma zapojenia PČ do sústavy vykurovania a prípravy TV.

Výroba elektriny fotovoltickými panelmi

V tab. 1 je uvedená priemerná denná a mesačná výroba elektriny fotovoltickými panelmi so špičkovým výkonom približne 50 kWp, ktoré boli predmetom skúmania. V tab. 1 je uvedená aj denná a mesačná výroba vodíka v elektrolyzéri vody elektrickou energiou vyrobenou fotovoltickými panelmi a výroba elektrickej energie z vodíka pomocou PČ.

Na základe ročných údajov uvedenýchv tab. 1 môžeme konštatovať, že z 52,7 MWh elektriny vyrábanej zo slnečnej energie možno v elektrolyzéri vyrábať 10 755 Nm³ vodíka a následne pomocou PČ približne
17,7 MWh elektriny. Účinnosť výroby elektriny touto cestou je tak približne 33,5 %.

V tab. 1 uvádzame aj predpokladaný priemerný mesačný a ročný príjem za elektrinu za predpokladu, že sa elektrina bude vyrábať a predávať v čase špičiek za cenu 0,16 €/kWh. Môžeme konštatovať, že vzhľadom na to, že ročný príjem za elektrickú energiu vyrábanú takýmto spôsobom je iba 2 820 eur, vybudovanie takéhoto systému nie je z podnikateľského hľadiska rentabilné.

Záver

Palivové články nie sú z hľadiska nákladov efektívnejšie ako konvenčné zdroje na premenu energie, sú však vhodné na:

• využívanie obnoviteľných zdrojov energie,
• efektívnu kombinovanú výrobu elektriny a tepla,
• výrobu pary, TV, na vykurovanie a zároveň môžu slúžiť ako zdroj energie na chladenie.

Z tohto dôvodu je dôležité vedieť, ako ich integrovať do priemyselných alebo komunálnych energetických systémov a sledovať ich vývoj.

Literatúra
1. www.fuelcellenergy.com.
2. www.hydrogenics.com.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 4/2018.