Czysta energia na wydziale Elektrycznym Politechniki Śląskiej

Energetyka dnia dzisiejszego często wymaga zasilania, stanowiącego wyspę, która nie potrzebuje wsparcia ze strony infrastruktury sieciowej... 

Takim właśnie zasilaniem są obecnie najczęściej stosowane systemy UPS lub siłownie prądu stałego wykorzystujące energię z baterii akumulatorów (kwasowo-ołowiowych, niklowo- kadmowych itp.) oraz agregaty prądotwórcze. Rozwiązania te nie odpowiadają na potrzeby energetyki, gdyż ich eksploatacja nastręcza problemów, które powodują brak pewności zasilania. Technologie te nie odpowiadają także na potrzeby środowiska. Produkcja i utylizacja baterii akumulatorów oraz praca agregatów prądotwórczych jest dla niego uciążliwa. Co gorsza nawet najnowsze generacje akumulatorów bezobsługowych typu VRLA nie eliminują wspomnianych problemów.

Rozwiązaniem jest wodorowy system zasilania bezprzerwowego oparty na ogniwie paliwowym. Jego zaletą jest długi czas podtrzymania oraz możliwość całkowitego wyeliminowania uciążliwych akumulatorów kwasowych, przy zachowaniu topologii on-line.Dostarczając wodór i powietrze do ogniwa, w wyniku reakcji chemicznych otrzymujemy energię elektryczną i czystą wodę jako produkt uboczny. Praca ogniwa jest cicha, a małe gabaryty pozwalają na zastosowanie go w dowolnym pomieszczeniu.

Był sobie pomysł 

Myśl o tym, że Wydział Elektryczny Politechniki Śląskiej powinien posiadać instalację demonstracyjną ogniwa paliwowego zaprzątał głowę pracowników tegoż wydziału już od dłuższego czasu. W roku 2009 pomysł ten został opisany i wpisany w przetarg organizowany w ramach projektu badawczego związanego z bezpieczeństwem elektro-energetycznym kraju, z którego pochodzi część funduszy na to przedsięwzięcie. Brakującą część dołożył Vattenfall Distribution, który uznał za interesujące badanie przydatności ogniw paliwowych do zastosowania jako podstawowego źródła zasilania aparatury rozdzielczej w sieciach niskiego napięcia. W piątek - 12 marca ogniwo paliwowe wraz z potrzebnymi do działania podsystemami pod ogólną nazwą „System PULSTAR”, zagościło w murach uczelni, jako namacalny dowód pracy wszystkich osób zaangażowanych w projekt. Dowód jest dość wartościowy, ponieważ kompletne stanowisko (ogniwo paliwowe wraz z systemem zasilania w paliwo) kosztowało 250 000 PLN. Biorąc pod uwagę masę instalacji (200 kg) można stwierdzić, że każdy przetransportowany kilogram wart był 1250 PLN.Ogniwo oprócz wykorzystania do pracy badawczej prowadzonej przez pracowników Wydziału Elektrycznego będzie również służyło studentom tego wydziału w trakcie zajęć laboratoryjnych.

Dane techniczne

System PULSTAR, którego wykonawcą jest firma APS ENERGIA (przy czym samo ogniwo paliwowe powstało w kanadyjskiej firmie Ballard), zbudowany jest z trzech instalacji:

- elektrycznej

- wodorowej

- wodnej

Wszystkie elementy zostały zabudowane w jednej szafie, obok której zostaną zamontowane dwie butle z na wodór oraz czujnik wodoru, stanowiący element instalacji bezpieczeństwa, informujący o ewentualnym wycieku wodoru. W pomieszczeniu, w którym zostanie ulokowane stanowisko znajdzie się również wyłącznik bezpieczeństwa.

Specyfikacja techniczna:

- zużycie paliwa 1dm3 H2 / 1 kWh

- moc brutto 1200 kW (netto – po odliczeniu potrzeb własnych 1000 kW)

- ogniwo niskotemperaturowe z membraną wymiany protonów typu PEM (Proton Exchange Membrane lub    Polimer Electrolyte Membrane)

- produkcja wody: 0,87 l / godz.

- przewidywana praca ogniwa: 1500 godz.

Ogniwo paliwowe – zasada działania

Ogniwo paliwowe zbudowane jest z zbudowane jest z dwóch elektrod: anody i katody, które odseparowane są poprzez elektrolit występujący w formie płynnej lub jako ciało stałe. Elektrolit umożliwia przepływ kationów, natomiast uniemożliwia przepływ elektronów. W ogniwie zachodzi reakcja chemiczna polegająca na rozbiciu wodoru na proton i elektron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody z pominięciem nieprzepuszczalnej membrany. W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny, woda i ciepło. Paliwo - wodór w stanie czystym lub w mieszaninie z innymi gazami - jest doprowadzany w sposób ciągły do anody, a utleniacz - tlen w stanie czystym lub mieszaninie (powietrze) - podawany jest w sposób ciągły do katody.

Ogniwo paliwowe teoretycznie nie ulega rozładowaniu. W rzeczywistości degradacja lub niesprawność komponentów ograniczają żywotność ogniwa paliwowego.

PEM – kilka słów wyjaśnień

 PEM, czyli Proton Exchange Membrane lub Polimer Electrolyte Membrane. Paliwem w ogniwach tego typu jest czysty wodór lub reformat. Membrana ogniwa PEM zbudowana jest z materiału polimerowego np. nafion-u. Ogniwa te charakteryzują się dużą sprawnością w produkcji energii elektrycznej - do 65% oraz małą ilością wydzielanego ciepła. Zaletą ogniwa PEM jest dobra nadążność ogniwa w systemach poddawanych zmiennym obciążeniom oraz krótki czas rozruchu. Cechy te wynikają z niskiej temperatury reakcji zachodzącej w ogniwie - 60 do 100 stopni Celsjusza. Ogniwa PEM mają zastosowanie głównie w napędach pojazdów oraz w budowie stacjonarnych i przenośnych generatorów energii.

Czy wyrwiemy kolce tej róży?

 Ogniwo paliwowe pomimo niezawodnej pracy, braku szkodliwego wpływu na środowisko oraz eliminacji konieczności podłączenia do sieci (źródło rozproszone) ma oczywiście swoje wady, chociażby cena wytwarzanej energii – ok. 10 PLN / kWh. Co gorsza ma też ograniczoną trwałość – 1500 godz. ciągłej pracy.

Informacje te nie stawiają ogniwa paliwowego na pierwszym miejscu listy ekonomicznych źródeł energii. Nie znaczy to jednak, że wyrok należy wydawać już teraz. Czyste technologie cały czas intensywnie się rozwijają, a naukowcy starają się odcinać kolce, którymi w tym przypadku są ceny produkowanej energii. Czekamy zatem na wyniki projektu badawczego mając nadzieję, że będą one pomyślne i pozwolą przypuszczać, że za kilka lat uda się w końcu wyhodować różę bez kolców.

Karolina Wieczorek

Biuro Klastra 3x20