Obnovljivi izvori energije

Primjena gorivih ćelija

Gorive ćelije za primjenu u vozilima

Najveći je dio tih vozila proizveden prilagodbom postojećih modela. Kod nekih od njih pogon se isključivo osniva na gorivim ćelijama, a kod nekih je pogon hibridan i koriste Ni-MH (Jeep, Renault FEVER, Toyota, Daihatsu) ili Li ionske baterije (Nissan) ili ultrakapacitore (Honda FCX-V3). Pri tome se vrlo malo proizvođača odlučilo za primjenu stlačenog vodika kao goriva, čemu je glavni razlog smještaj spremnika za vodik. Pri tome je dodatni nedostatak vrlo mala količina tako pohranjenog goriva što omogućava prelazak tek 160 km, dok vozila s jednim spremnikom ukapljenog vodika mogu prijeći i 400 km. Inače, iskoristivost goriva u takvim je vozilima vrlo dobra i iznosi od 20 do 25 km/l. Vozila s pogonom na metanol s jednim punjenjem goriva mogu preći mnogo veći put, oko 500 km, što je jednako vozilima na uobičajena goriva (benzin, dizel).

Nekoliko je osnovnih mogućnosti za primjenu gorivih ćelija kao dijela pogonskog sustava vozila:

  • gorive ćelije služe kao osnovni izvor energije za pogon elektromotora, dok je dodatni akumulator potreban samo za paljenje (kao kod motora s unutarnjim izgaranjem)
  • gorive ćelije služe za pokrivanje osnovnih, a baterije za pokrivanje vršnih pogonskih opterećenja pri pogonu elektromotora (tzv. hibridna paralelna izvedba, jer gorive ćelije i baterije rade usporedno)
  • gorive ćelije služe za punjenje baterija koje su osnovni izvor energije za pogon elektromotora (tzv. hibridna serijska izvedba, jer gorive ćelije napajaju baterije, a one pokreću motor)
  • gorive ćelije služe samo kao pomoćni izvor energije (npr. za električni sustav), dok se pogon može izvesti na bilo koji drugi način (prikladno npr. za hladnjače s velikom potrošnjom električne energije za pogon rashladnog i klimatizacijskog sustava).

Smještaj spremnika za vodik u osobnim automobilima predstavlja značajan problem zbog visokih zahtjeva koji se postavljaju na sustav spremnika, osobito kada se radi o stlačenom vodiku. Za razliku od toga, kod autobusa postoji dovoljno mjesta na krovu, što je prednost i s gledišta sigurnosti jer je vodik lakši od zraka pa u slučaju propuštanja odlazi ravno u vis. Na razvoju takvih autobusa rade svi vodeći svjetski proizvođači: DaimlerChrysler, MAN, Neoplan, Renault/IVECO, a nekoliko njih već je iskušano u javnom prijevozu nekih američkih i kanadskih gradova.

Osim za pogon osobnih vozila i autobusa, gorive ćelije su također prikladne i za pogon specijalnih vozila ili radnih strojeva (npr. vozila za golf-igrališta, viličare, kosilice za travu i sl). Uz to, gorive ćelije mogu poslužiti i za pogon motocikala, za što je u svijetu (ponajviše u Aziji) već izvedeno nekoliko prototipova.

Ipak, najveći problem u razvoju primjene gorivih ćelija za pogon vozila predstavljaju slabe mogućnosti za opskrbu vodikom. Zbog toga svi vodeći proizvođači razmatraju drugačiji način opskrbe vodikom, to jest integraciju gorivih ćelija sa sustavom (reformerom) za dobivanje vodika ili vodikom bogatog plina iz drugih, raspoloživih goriva. S obzirom na razvijenu infrastrukturu, najprikladnijim se smatra običan benzin, no on pak nije prikladan za reformiranje. Proizvođači goriva stoga traže druge mogućnosti za primjenu u gorivim ćelijama, primjerice hidrotretiranu naftu, hidrokrekate, alkilate/izomerate ili ukapljena goriva dobivena od prirodnog plina. Također je moguća primjena metanola, odavno poznatog kapljevitog goriva (uz to i ‘biogoriva') koje je jednostavno za reformiranje.

Za dobivanje vodika iz benzina ili metanola razvijeno je nekoliko tehnologija, primjerice katalitička parcijalna oksidacija, reformiranje parom ili autotermalno reformiranje (kombinacija prethodnih). Osnovni je zahtjev u svim tim procesima dovođenje udjela CO na najmanju moguću mjeru (50 do 100 ppm), jer je on osobito nepoželjan kod ćelija s polimernom membranom (katalizator za takve ćelije koje koriste reformirano gorivo se stoga ne izvodi od čiste platine, već od legure platine i rutenija).

Unatoč očitoj prednosti - mogućnosti uporabe uobičajenih, kapljevitih goriva čime se rješava problem opskrbe vodikom i njegove pohrane u vozilu, primjena reformera ima i nekoliko osnovnih nedostataka:

  • ipak dolazi do štetnih emisija, iako su one gotovo zanemarive ("ultra-male")
  • smanjuje se učinkovitost cijelog pogonskog sustava
  • povećava se složenost, veličina, masa i cijena pogonskog sustava
  • reformer zahtijeva određeno vrijeme zagrijavanja za početak proizvodnje vodika (15 do 30 min) što se, doduše, može riješiti primjenom hibridnih izvedbi
  • dugoročno gledano, nečistoće iz goriva nepovoljno djeluju na reformer, a dodatni produkti reformera na gorive ćelije (o čemu još nema dovoljno podataka).

Gorive ćelije za proizvodnju električne energije

Stacionarna postrojenja gorivih ćelija za proizvodnju električne energije mogu se podijeliti prema nekoliko osnovnih načela:

  • namjeni
  • povezanosti s potrošačima (mrežom)
  • nazivnoj izlaznoj snazi
  • odgovaranju na opterećenja
  • vrsti goriva
  • smještaju
  • mogućnosti kogeneracije.

S obzirom na namjenu, stacionarna postrojenja gorivih ćelija mogu biti:

  • osnovni izvor energije, kada u cijelosti zamjenjuju postojeći sustav opskrbe ili su mu konkurent ili kada sustava uopće nema (npr. u ruralnim područjima, na otocima i sl)
  • dodatni (pomoćni) izvor energije, u paralelnom radu s elektroenergetskim sustavom, za pokrivanje temeljnih ili vršnih opterećenja
  • dodatni izvor energije u kombiniranom sustavu s obnovljivim izvorima koji ne mogu uvijek pokrivati potrošnju (FN sustavi, vjetroelektrane)
  • pričuvni izvor energije, u slučaju prekida uobičajene opskrbe.

Prema povezanosti s mrežom, odnosno elektroenergetskim sustavom (tj. potrošačima), stacionarna se postrojenja gorivih ćelija mogu izvesti:

  • u paralelnom načinu rada s mrežom: postrojenje pokriva većinu potreba svojih potrošača, osim u kratkom razdoblju vršnog opterećenja kada se mogu opskrbljivati i iz mreže
  • u interkonektiranom načinu rada s mrežom: postrojenje je stalno povezano s elektroenergetskim sustavom (mrežom)
  • samostalno: potrošači su spojeni samo na vlastitu mrežu postrojenja koje mora biti sposobno odgovarati na promjene opterećenja
  • kao pričuvna: postrojenje se uključuje samo u slučaju prekida uobičajene opskrbe (osobito duljeg od 30 min) i mora imati mogućnost brzog uključivanja te se često kombinira s baterijskim ili drugim pričuvnim izvorima.

Stacionarna se energetska postrojenja gorivih ćelija prema nazivnoj izlaznoj snazi dijele u četiri osnovne skupine, o čemu ovise područja primjene:

  • sa snagom manjom od 10 kW: za obiteljske kuće, kampove, prijenosne električne generatore itd.
  • sa snagom između 10 i 50 kW: za stambene zgrade i manja naselja, obrtničke pogone, restorane, trgovine, manje robne kuće i sl.
  • sa snagom između 50 i 250 kW: za veća naselja, poslovne zgrade, bolnice, hotele, vojarne i sl.
  • sa snagom većom od 250 kW (primjena gorivih ćelija s polimernom membranom u tom području više nije isplativa).

Prema odgovaranju na promjene opterećenja, stacionarna postrojenja gorivih ćelija mogu biti:

  • s praćenjem opterećenja, kada je postrojenje dimenzionirano na najveće moguće opterećenje kod potrošača ili kada pokriva opterećenje samo do nazivne izlazne snage nakon čega se uključuju dodatni, vršni izvori (baterije, ultrakapacitori, mreža)
  • sa stalnim opterećenjem, kada postrojenje mora raditi u paralelnom načinu rada s mrežom.

Stacionarna postrojenja gorivih ćelija mogu koristiti različita goriva:

  • čisti vodik: koristi se samo kada postrojenja služe kao pričuvni izvor i kada su opremljena elektrolitičkim generatorom vodika koji se proizvodi pomoću energije iz mreže ili u industrijskim pogonima u kojima se može proizvoditi vodik
  • prirodni plin: koristi se u najvećem broju slučajeva zahvaljujući razgranatoj opskrbnoj mreži (npr. za obiteljske kuće, stambene i poslovne zgrade, naselja itd)
  • propan: koristi se umjesto prirodnog plina, ako ne postoji plinoopskrbni sustav
  • kapljevita goriva: loživo ulje, benzin, dizel, metanol, etanol.

Prema smještaju, stacionarna energetska postrojenja gorivih ćelija mogu biti:

  • na otvorenom, pri čemu se mora osigurati otpornost na vanjske utjecaje (npr. u kontejneru)
  • u zatvorenom prostoru, pri čemu valja poštivati norme i propise koji to određuju
  • u odvojenoj (split) izvedbi, kada je jedan dio sustava vani (npr. priprema goriva, sklop gorivih ćelija), a jedan dio unutra (npr. regulacija i sl).

Konačno, svako se stacionarno postrojenje gorivih ćelija može podijeliti i s obzirom na mogućnost kogeneracije, odnosno dodatnog iskorištavanja toplinske energije koja potječe iz procesa u samom sklopu, ali i iz procesora goriva i otpadnog plina. Dobivena se toplina može tada koristiti, primjerice, u sustavima pripreme potrošne tople vode, kao dodatni izvor topline u sustavima grijanja ili u sustavu toplinske crpke. U takvim se slučajevima ukupna učinkovitost može povećati i na 90%.

Ekonomičnost stacionarnih postrojenja gorivih ćelija uvjetovana je s nekoliko glavnih čimbenika:

  • cijenom goriva i električne energije: postrojenja su isplativa samo u područjima gdje je struja skupa, a plin jeftin pri čemu omjer njihovih cijena mora biti veći od recipročne vrijednosti učinkovitosti sustava (tj. ako je učinkovitost 33%, cijena plina mora biti 3 puta manja od cijene struje)
  • učinkovitošću sustava: najčešće između 35 i 40%, pri čemu veća učinkovitost znači manju potrošnju goriva i manje pogonske troškove
  • faktorom učinka, odnosno odnosom između stvarno proizvedene električne energije u nekom razdoblju i energije koja bi se u isto vrijeme proizvela pri nazivnoj snazi, pri čemu postrojenja s višim faktorom učinka imaju kraće vrijeme povrata ulaganja i stoga su ekonomski isplativija
  • ukupnom cijenom sustava, pri čemu se granicom isplativosti smatra 1000 USD/kW, odnosno 1500 USD/kW kada je omjer cijene struje i plina velik te za velike potrošače
  • vijekom trajanja koji se za sustave za opskrbu kuća, zgrada i naselja procjenjuje na 5 godina (oko 40 000 pogonskih sati)
  • raznim dodatnim čimbenicima (troškovima održavanja, prodajom energije mreži, kogeneracijom, programima potpore primjeni takvih sustava i sl).

Gorive ćelije za primjenu u sustavima grijanja

Primjena gorivih ćelija u kotlovima za sustave grijanja i pripremu potrošne tople vode u obiteljskim kućama, stambenim ili poslovnim zgradama, manjim naseljima i manjim industrijskim pogonima omogućava još veću uporabu prirodnog plina kao primarnog izvora energije, što je još jedan velik doprinos smanjivanju onečišćenja okoliša. Uz to se kod primjene gorivih ćelija, osim topline, istodobno proizvodi i električna energija pa su takvi kotlovi zapravo male decentralizirane kogeneracijske elektrane. Osim potreba za toplinom za grijanje i pripremu potrošne tople vode, time se može pokrivati i jedan dio potreba za električnom strujom, čime se izbjegavaju gubici do kojih dolazi pri prijenosu i transformaciji struje. Isto tako, u određenom se omjeru omogućava smanjenje proizvodnje iz elektrana na fosilna goriva, čime se neposredno smanjuje onečišćenje okoliša.

Jedna se takva kotlovska jedinica s gorivim ćelijama sastoji od:

  • sustava za pripremu i obradu goriva (pročišćavanje plina, reformiranje)
  • sklopa gorivih ćelija
  • sustava za pripremu vode
  • izmjenjivača topline
  • invertora
  • dodatnog izvora topline (najčešće kondenzacijskog kotla)
  • automatske regulacije.

Dio na čijem se razvoju trenutačno najviše radi jest sustav za pripremu i obradu goriva. Osnovno je gorivo također prirodni plin koji se prethodno mora pročistiti od sumpornih spojeva (iz odoranata) i ostalih onečišćenja koja bi mogla oštetiti katalizator. U reformeru dolazi do miješanja plina, vodene pare i zraka pri čemu nastaje procesni plin obogaćen vodikom. Nakon ovlaživanja, procesni se plin dovodi do anoda, gdje dolazi do reakcije u kojoj nastaju struja i toplina. Kako je nastala struja istosmjerna, treba se pretvoriti u izmjeničnu (230 V / 50 Hz), za što služi pretvarač. Toplina oslobođena pri reakciji odvodi se s dimnim plinovima (koji se gotovo potpuno sastoje od CO 2 ) do izmjenjivača gdje se predaje sustavu grijanja. Uz to postoji i mogućnost (posebice pri modulirajućem načinu rada) dodatnog izgaranja zaostalog vodika iz dimnih plinova u posebnom plameniku. Pri tome oslobođena toplina može poslužiti za predgrijavanje sastojaka koji ulaze u reformer.

Za pokrivanje vršnih potreba za toplinom (npr. za vrijeme iznimno hladnih zimskih dana) služi dodatni kotao, u pravilu u kondenzacijskoj izvedbi, a postoji i mogućnost priključivanja na sustav pripreme potrošne tople vode. Za dimne plinove nastale u oba kotla predviđen je jedinstven sustav odvođenja, tj. zajednički dimnjak.

Takvi su sustavi grijanja s gorivim ćelijama kao izvorom topline u svijetu trenutačno u fazi pogonskih ispitivanja, a na tržištu mogu očekivati početkom 2003. godine.

Želim znati više: