Stacjonarne ogniwa paliwowe zasilane gazem ziemnym

Stacjonarne ogniwa paliwowe zasilane gazem ziemnym

A rtyku³y
Nowoczesne Gazownictwo 1 (XI) 2006
Stacjonarne ogniwa paliwowe
zasilane gazem ziemnym
Maciej Chaczykowski*
domowe. W artykule scharakteryzowano obecny stan rozwoju
technologii ogniw paliwowych w elektroenergetyce oraz perspektywy rozwoju na przyk³adzie wybranych rozwi¹zañ opartych na
ogniwach PAFC oraz PEMFC, MCFC i SOFC, nad którymi prace
osi¹gnê³y odpowenio fazê komercyjn¹ i przedkomercyjn¹. Nale¿y
podkreœliæ, ¿e dotychczasowe prace nad rozwojem technologii
ogniw paliwowych w elektroenergetyce by³y prowadzone przede
wszystkim przez instytucje zwi¹zane z przemys³em gazowniczym.
Ogniwa paliwowe przekszta³caj¹ energiê chemiczn¹ paliwa bezpoœrednio w energiê elektryczn¹ i ciep³o, potencjalnie mog¹ zatem
zast¹piæ wiêkszoœæ dzisiejszych silników spalinowych, których
praca wi¹¿e siê nieod³¹cznie z zanieczyszczaniem œrodowiska spalinami i powstawaniem ha³asu. Pocz¹tkowo uwa¿ano, ¿e ogniwa
paliwowe znajd¹ jedynie ograniczone zastosowanie, g³ównie
w pewnych niszowych projektach, takich jak w przemyœle zbrojeniowym, np. ³odzie podwodne, czy astronautyce (statki kosmiczne), jednak obecnie, du¿a liczba testowanych aplikacji œwiadczy
o ogromnej wszechstronnoœci tej technologii. Dostêpnoœæ ró¿nych
konstrukcji i rodzajów ogniw paliwowych sprawia, ¿e mog¹ byæ
stosowane jako Ÿród³a energii elektrycznej zarówno w urz¹dzeniach przenoœnych o mocy rzêdu kilku miliwatów, jak i w elektrowniach o mocy rzêdu kilku megawatów. Lista mo¿liwych rozwi¹zañ jest niezwykle szeroka, pocz¹wszy od zastosowañ w komunikacji (pojazdy), uk³adów awaryjnego zasilania urz¹dzeñ, zasilaniu urz¹dzeñ przenoœnych takich jak laptopy, kamery czy telefony komórkowe, Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej w zastosowaniach przydomowych i przemys³owych, a¿ po œredniej wielkoœci
elektrownie. Aktualnie, praktycznie wszyscy znacz¹cy producenci
samochodów opracowali i zaprezentowali ju¿ prototyp pojazdu
z ogniwem paliwowym, jednak wiêkszoœæ prognoz odnoœnie
pierwszego masowego wykorzystania tego produktu przewiduje,
¿e bêdzie to rynek ma³ych urz¹dzeñ przenoœnych. Zak³ada siê, ¿e
ma³ej mocy ogniwa paliwowe zasilane metanolem zast¹pi¹ tradycyjne ³adowane akumulatory w laptopach i innych podrêcznych
urz¹dzeniach tego typu.
Mimo ró¿nych temperatur pracy i wynikaj¹cych z tego uwarunkowañ odnoœnie mo¿liwoœci zastosowania, cech¹ wspóln¹ wszystkich rozwi¹zañ jest wysoka sprawnoœæ wytwarzania energii elektrycznej w szerokim zakresie obci¹¿eñ oraz bardzo niska emisja
zanieczyszczeñ.
Bior¹c pod uwagê potencjaln¹ mo¿liwoœæ wykorzystania ogniw
w energetyce, interesuj¹ce s¹ ma³ej mocy uk³ady skojarzone (elektrociep³ownie), w których produkuje siê energiê elektryczn¹ i ciep³o na potrzeby takich obiektów jak niewielkie zak³ady przemys³owe, szpitale, budynki biurowe, itp., oraz niewielkie instalacje przy-
Fot. 1. Wizja domowej elektrociep³ownii z zastosowaniem ogniwa
paliwowego - reklama firmy RWE, która terenowe testy
ogniwa paliwowego prowadzi od 2001 roku
Zasada dzia³ania ogniwa paliwowego
Ogniwa paliwowe s¹ urz¹dzeniami elektrochemicznymi, pozwalaj¹cymi na konwersjê energii chemicznej paliwa bezpoœrednio na
energiê elektryczn¹, dlatego sprawnoœæ produkcji energii elektrycznej jest wy¿sza ni¿ z u¿yciem tradycyjnych silników cieplnych, wytwarzaj¹cych pracê mechaniczn¹, która nastêpnie jest
przetwarzana na energiê elektryczn¹ w generatorach pr¹du elektrycznego. Zasada dzia³ania ogniw paliwowych jest podobna do
zasady dzia³ania zwyk³ych baterii (ogniw woltaicznych) z t¹ ró¿nic¹, ¿e wyeliminowano problem roz³adowywania - ogniwo nie ulegnie wyczerpaniu, dopóki dostarczane bêd¹ paliwo i tlen z powietrza.
Poniewa¿ zasada dzia³ania ogniwa opiera siê na reakcji elektrochemicznej, a nie na spalaniu, ogniwo paliwowe potrzebuje jako
substratu reakcji ³atwo utleniaj¹cej siê substancji, takiej jak wodór.
Wodór mo¿e byæ produkowany z gazu ziemnego i innych paliw na
przyk³ad w drodze reformingu par¹ wodn¹.
* dr in¿. Maciej Chaczykowski, Zak³ad In¿ynierii Gazownictwa, Wydzia³
In¿ynierii Œrodowiska, Politechnika Warszawska, ul. Nowowiejska 20,
00-653 Warszawa. e-mail: [email protected]
5
A rtyku³y
Nowoczesne Gazownictwo 1 (XI) 2006
Tablica 1. Wybrane w³aœciwoœci podstawowych typów ogniw paliwowych
Temperatura pracy
(°C)
Elektrolit
Paliwa
Zakres mocy
Zastosowania
AFC
PEMFC
PAFC
MCFC
SOFC
70-220
70-120
150-220
600-700
600-1000
Zasada potasowa
Membrana
polimerowa
Stê¿ony kwas
fosforowy
Czysty wodór
Wodór, reformowany
Wodór, gaz ziemny
metanol
do 250 kW
Urz¹dzenia
przenoœne, transport,
Aeronautyka, ³odzie
uk³ady awaryjnego
podwodne
zasilania, uk³ady
kogeneracyjne
Stopiony wêglan Li/K Ceramika tlenkowa
Wodór, gaz ziemny
Wodór, gaz ziemny
do 1 MW
do 2 MW
do 10 MW
Ma³e elektrownie,
uk³ady awaryjnego
zasilania, uk³ady
kogeneracyjne
Elektrownie
Elektrownie, uk³ady
awaryjnego zasilania,
uk³ady kogeneracyjne
do 5 kW
Warstwa katalizatora
Warstwa katalizatora
G³ównymi elementami ogniwa s¹ dwie elektrody –
Warstwa gazodyfuzyjna
Warstwa gazodyfuzyjna
Membrana elektrolityczna
anoda i katoda, oddzielone elektrolitem, który przekaWlot paliwa
Wlot powietrza
zuje jony, ale uniemo¿liwia przep³yw elektronów. SubKana³y przep³ywowe tlenu
Kana³y przep³ywowe
stratami reakcji w ogniwie s¹ zwykle doprowadzony do
anody wodór oraz pobierany z otoczenia tlen, natomiast
jedynym produktem jest woda. Podczas pracy ogniwa
Tlen (powietrze)
Paliwo (wodór)
O2
jest generowana energia elektryczna oraz ciep³o. Wodór
H2
dop³ywa do anody, na której, dziêki katalizatorowi, ato2H+
my wodoru dziel¹ siê na elektrony oraz protony. PrzeKatoda
Anoda
p³yw elektronów od anody do katody odbywa siê przez
zewnêtrzny obwód elektryczny, protony zaœ dyfunduj¹
przez elektrolit. Si³¹ napêdow¹ reakcji w ogniwie paliwowym jest naturalne d¹¿enie uk³adu do stanów o ni¿szej energii swobodnej. Woda, która jest produktem reakcji ma ni¿sz¹ energiê swobodn¹ ni¿ substraty (wodór
i tlen). Ró¿nica energetyczna pomiêdzy substratami
2ei produktem zostaje przetworzona w energiê elektryczn¹.
H2O i ciep³o
Maksymalne napiêcie pojedynczego ogniwa nie
przekracza 1V, st¹d w zale¿noœci od wymagañ wiele Rys. 1. Schemat budowy i zasady dzia³ania ogniwa paliwowego na przyk³adzie
ogniw ³¹czy siê szeregowo w tzw. stos (ang. stack).
ogniwa polimerowego
Zmieniaj¹c liczbê ogniw, praktycznie istnieje mo¿liwoœæ doboru uk³adu o niemal dowolnych parametrach
Budowa ogniw paliwowych
w sensie mocy i napiêcia.
Typowe rozwi¹zania ogniw paliwowych bior¹ swoje nazwy od
nazw elektrolitów u¿ytych do ich konstrukcji:
Ogniwo polimerowe PEMFC
• Alkaiczne AFC (Alkaline Fuel Cell).
Schematyczny przebieg procesów elektrochemicznych w ogniwie
• Polimerowe PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell),
polimerowym przedstawiono na rys. 1. Ogniwo, nazywane rów• Kwasowe PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell),
nie¿ ogniwem z membran¹ wymiany protonów, posiada elektrolit
• Wêglanowe MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell),
w postaci cienkiej, pó³przepuszczalnej membrany polimerowej.
• Tlenkowe SOFC(Solid Oxide Fuel Cell),
Zastosowanie membrany ogranicza temperaturê pracy ogniwa do
Charakterystyczne w³aœciwoœci podstawowych piêciu typów
maksymalnie 120oC, przez co konieczne staje siê zastosowanie
ogniw paliwowych wymieniono w tablicy 1. Z poœród wy¿ej wyszlachetnych metali do budowy elektrod. Elektrody s¹ zbudowane
z platyny na podk³adzie z wêgla.
mienionych ogniw, za kamercyjne, aktualnie mo¿na uznaæ jedynie
W ogniwie, cz¹steczki wodoru s¹ dostarczane do anody, na któogniwo PAFC. Kolejne dwa, PEMFC oraz SOFC s¹ w fazie przejrej nastêpuje utlenianie. Uwalniane elektrony poruszaj¹ sie w kieœciowej, bliskie komercjalizacji. Przy aktualnym stanie rozwoju,
w zasadzie jedynie ogniwo AFC nie wzbudza zainteresowania
runku katody wytwarzaj¹c pr¹d w zewnêtrznym obwodzie elekw aspekcie wykorzystania w energetyce, dlatego w dalszej czêœci
trycznym, natomiast dodatnie jony wodoru (protony), przewodzoartyku³u zosan¹ bli¿ej omówione cztery konstrukcje ogniw: niskone przep³ywaj¹ przez membranê polimerow¹. Na katodzie pobietemperaturowe PEMFC i PAFC oraz wysokotemperaturowe
rany z otoczenia tlen (zawarty w powietrzu) ³¹czy siê z jonami woMCFC i SOFC, co do których perspektywy odnoœnie zastosowañ
doru, które przep³ynê³y przez membranê polimerow¹, tworz¹c wow energetyce gazowej s¹ najlepsze.
dê (produkt uboczny). Reakcje: utleniania wodoru na anodzie, re-
6
A rtyku³y
Nowoczesne Gazownictwo 1 (XI) 2006
Tablica 2. Reakcje elektrodowe w rónych typach ogniw
Reakcje
elektrochemiczne
Typ ogniwa
MCFC
PEMFC, PAFC
SOFC
Anoda
H 2 → 2H + + 2e −
Katoda
1
O2 + 2H + + 2e − → H 2O
2
1
2−
CO 2 + O2 + 2e − → ( CO3 )
2
1
O 2 + 2e − → O 2 −
2
1
H 2 + O 2 → H 2O
2
1
H 2 + O 2 → H 2O
2
1
H 2 + O 2 → H 2O
2
Sumaryczna
H 2 + ( CO3 )
2−
→ H 2 O + CO2 + 2e −
H 2 + O 2 − → H 2 O + 2e −
Anodê stanowi porowaty nikiel stabilizowany chromem, katodê
porowaty nikiel lub tlenek niklu. Transport jonów wêglanowych
wymaga zasilania CO2 po stronie katody. Jest to zrealizowane poprzez przemieszczenie dwutlenku wêgla wydzielaj¹cego siê na
anodzie. Temperatura pracy ogniwa w przedziale 600–700°C,
umo¿liwia unikniêcie koniecznoœci stosowania metali szlachetnych do budowy anody i katody. Wad¹ ogniwa jest korozyjne oddzia³ywanie stopionych wêglanów na materia³y konstrukcyjne.
dukcji tlenu na katodzie oraz sumaryczn¹ reakcjê redoks zachodz¹c¹ w PEMFC podano w tablicy 2. W porównaniu do innych elektrolitów membrany polimerowe mog¹ pracowaæ w bardzo niskich
temperaturach, nawet 80oC, umo¿liwiaj¹c stosunkowo krótki rozruch. Sprawnoœæ ogniw PEM zwykle wynosi ok. 40%, przy typowej mocy elektrycznej do 250 kW. Ogniwa wytwarzane s¹ w postaci lekkich, kompaktowych jednostek, które czyni¹ je atrakcyjnym rozwi¹zaniem dla wielu zastosowañ, pocz¹wszy od elektronicznych urz¹dzeñ przenoœnych, poprzez Ÿród³a dla napêdu samochodów, a¿ po uk³ady kogeneracyjne dla budynków i ma³e uk³ady
stacjonarne.
Prostota budowy, oraz fakt, ¿e elektrolitem jest materia³ w fazie
sta³ej, a nie ciek³ej (tzw. suchy elektrolit), powoduje, ¿e uszczelnienie gazów na anodzie i katodzie jest zdecydowanie prostrze ni¿
w przypadku innych ogniw, przez co proces produkcji ogniwa jest
tañszy. Suchy elektrolit umo¿lwia ponadto wyd³u¿enie ¿ywotnoœci
ogniwa, poniewa¿ jest ono mniej podatne na korozjê ni¿ ogniwo
z ciek³ym elektrolitem. Niska temperatura pracy stanowi zaletê
z punktu widzenia wymagañ materia³owych i d³ugoœci okresu eksploatacji urz¹dzenia, jednak w niektórych przypadkach uniemo¿liwia efektywne wykorzystanie ciep³a w uk³adach kogeneracyjnych.
Ponadto, w celu osi¹gniêcia wysokiej sprawnoœci ogniwa elektrolit musi byæ nasycony wod¹, poniewa¿ natê¿enie przep³ywu jonów
wodorowych przez membranê jest zale¿ne od stopnia jej nawil¿enia. Regulacja zawartoœci wilgoci na anodzie i katodzie jest aktualnie kluczowym zagadnieniem.
Ogniwo tlenkowe SOFC
W zale¿noœci od konstrukcji w ogniwie tlenkowym SOFC elektrolitem jest zwykle zestalony, nieporowaty tlenek metalu, zazwyczaj
tlenek cyrkonu ZrO2 stabilizowany tlenkiem itru Y2O3. Przewodnictwo jonowe w elektrolicie jest zapewnione przez jony tlenu O2-.
Reakcje elektrodowe podano w tablicy 2.
W celu zapewnienia odpowiedniego przep³ywu jonów tlenu
przez elektrolit wymagana jest temperatura pracy ok. 1000oC.
W zwi¹zku z wysok¹ temperatur¹ pracy ogniwa wci¹¿ pozostaje
do rozwi¹zania sporo zagadnieñ materia³owych. Opracowanie tanich materia³ów z du¿¹ odpornoœci¹ na wysok¹ temperaturê jest
jedn¹ z kluczowych kwestii w odniesieniu do technologii ogniw
SOFC. Jednym z aktualnych kierunków badañ jest opracowane
œredniotemperaturowe ogniowo tlenkowe IT–SOFC (Intermediate
Temperature SOFC), którego temperatury pracy znajduj¹ siê w zakresie 600–800°C.
Wykorzystanie suchego elektrolitu czyni ogniwo bezpieczniejszym w porównaniu do MCFC, poniewa¿ nie powstaj¹ przecieki,
a ogniwu mo¿na nadaæ ró¿ne kszta³ty, np. cylindryczny. Konstrukcja cylindryczna zosta³a stworzona przy za³o¿eniu, ¿e jeden cylinder odpowiada jednemu ogniwu (rys. 2). Stos ogniw jest zrealizowany za pomoc¹ pakietu cylindrów z katodami po³¹czonymi osiowo za pomoc¹ ³¹czników niklowych. Zalet¹ konstrukcji cylindrycznych w porównaniu z p³askimi jest mo¿liwoœæ ³atwiejszego
uszczelnienia, uzyskania lepszej wymiany ciep³a przy pomocy powietrza i ³atwiejsze przenoszenie naprê¿eñ powstaj¹cych z powodu rozsze¿alnoœci cieplnej.
Wysoka temperatura pracy sprawia, ¿e procedury uruchamiania
i wy³¹czania s¹ dosyæ czasoch³onne, dlatego ogniwa wysokotemperaturowe nie nadaj¹ siê do pracy w krótkich cyklach.
Ogniwo kwasowe PAFC
W ogniwie kwasowym elektrolitem jest stê¿ony kwas fosforowy
H3PO4 umieszczony w matrycy z wêglika krzemu i teflonu. Elektrody s¹ zbudowane z takiego samego materia³u jak w PEMFC.
Równie¿ tutaj, jednak w mniejszej iloœci, wymagane jest zastosowanie katalizatora w postaci platyny i rutenu na elektrodach. Reakcje na anodzie i katodzie s¹ takie same jak w PEMFC. Minimalna temperatura pracy ogniwa wynosi 150oC, poniewa¿ w ni¿szych
temperaturach kwas fosforowy jest s³abym przewodnikiem jonów.
Z powodu agresywnoœci kwasu, do niedawna u¿ywano go w postaci rozcieñczonej, jednak nowe, odporne na korozjê materia³y
umo¿liwi³y u¿ycie stê¿onego kwasu, co podnosi przewodnoœæ
elektrolitu.
Paliwo i jego przygotowanie
Ogniwo wêglanowe MCFC
Przyk³adem wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego jest
ogniwo wêglanowe MCFC, w którym elektrolitem jest mieszanina
wêglanu litu Li2CO3 i wêglanu potasu K2CO3. Ciek³y elektrolit
jest utrzymywany w ceramicznej osnowie z glinianu litu LiAlO2.
Pozyskiwanie wodoru z gazu ziemnego
Produkcja wodoru z gazu ziemnego na du¿¹ skalê polega na wykorzystaniu procesów termochemicznych, wœród których wyró¿niæ
7
A rtyku³y
Nowoczesne Gazownictwo 1 (XI) 2006
³¹cznik niklowy
Rys. 2. Budowa cylindrycznego ogniwa tlenkowego opracowanego przez Siemens Westinghouse (œrednica 22 mm, d³ugoœæ 1,5 m, waga 1
kg). Szerokoœci poszczególnych warstw ogniwa s¹ nastêpuj¹ce: anoda 100 µm, elektrolit 40 µm, katoda 2 mm, po³¹cznie katody
80 µm (Ÿr. Siemens AG)
wiêksza, poniewa¿ wodór tworzony jest nie tylko z metanu, lecz
tak¿e z wody.
Równania (1), (3) oraz (4) s¹ równaniami reakcji egzotermicznych, natomiast reakcja opisana równaniem (2) jest endotermiczna. Dla porównania ró¿nica entalpii reakcji (1) wynosi
∆H o298 = −36 kJ/mol. Oznacza to, ¿e czêœciowe utlenianie wymaga
ch³odzenia reformera. Z kolei reforming parowy opisany równaniami (2) i (3) jest ³¹cznie reakcj¹ endotermiczn¹ i wymaga dostarczenia 165 kJ/mol ciep³a, st¹d ciep³o potrzebne do reformingu paliwa pomniejsza iloœæ ciep³a grzewczego uzyskanego z ogniwa paliwowego. W przypadku procesu autotermicznego, reformowaniu
poddaje siê mieszninê gazu ziemnego, pary wodnej i tlenu. Ciep³o
niezbêdne dla zajœcia reakcji endotermicznych uzyskuje siê w wyniku spalenia czêœci gazu.
Na marginesie warto wspomnieæ o elektrolitycznych technologiach produkcji wodoru w oparciu o odnawialne Ÿród³a energii,
w których wodór jest wykorzystywany jako noœnik magazynuj¹cy
energiê. Proces elektrolizy wody jest owrócon¹ reakcj¹ redoks
ogniwa paliwowego (z wody otrzymujemy wodór i tlen przy
udziale energii elektrycznej). Elektrolizer najczêœciej zasilany jest
z ogniwa fotowoltaicznego lub elektrowni wiatrowej. Rozwa¿a siê
urz¹dzenia, w których produkcja wodoru przez elektrolizê bêdzie
odbywa³a siê dziêki energii promieniowania s³onecznego w ci¹gu
dnia, a ogniwo paliwowe bêdzie pracowa³o w nocy. Analogiczne
w przypadku elektrolizera zintegrowanego z si³owni¹ wiatrow¹
– w czasie silnych wiatrów produkowany bêdzie wodór, natomiast
kiedy wiatr ustanie niedobory energii elektrycznej bêd¹ pokrywane z produkcji w ogniwie paliwowym. Zak³ada siê, ¿e technologie
elektrolityczne wraz z technologiami z u¿yciem procesów fotolitycznych zdominuj¹ produkcjê wodoru na skalê przemys³ow¹
w przysz³oœci.
mo¿na czêœciowe utlenianie, reforming parowy, reforming autotermiczny.
Ogólnie, pierwsza z metod polega na egzotermicznym, czêœciowym utlenianiu wêglowodorów. Metan, g³ówny sk³adnik gazu
ziemnego, utleniany jest egzotermicznie do tlenku wêgla.
CH 4 +
1
O 2 → 2H 2 + CO
2
(1)
Iloœæ tlenu jest precyzyjnie kontrolowana, aby nie dopuœciæ do niepo¿¹danej oksydacji tworzonego wodoru do pary wodnej. Proces
jest kosztowny i nie zapewnia czystoœci wodoru wymaganej
w aplikacjach ogniw paliwowych. Bardziej efektywnym procesem
jest reforming parowy polegaj¹cy na przepuszczeniu mieszaniny
gazu ziemnego i pary wodnej przez z³o¿e katalizatora. Reforming
parowy jest najpopularniejsz¹ i najtañsz¹ metod¹ produkcji wodoru z gazu ziemnego, a jego sprawnoœæ siêga 80%. W pierwszym
etapie w reformerze zachodzi endotermiczna, katalityczna reakcja
rozszczepiania metanu par¹ w temperaturze 600-800oC:
CH 4 + H 2O → 3H 2 + CO
(2)
Udzia³ objêtoœciowy wodoru w gazie, który jest produktem dzia³ania reformera wynosi ok. 8-12%. Nastêpnie zachodzi reakcja redukcji tlenku wêgla par¹ wodn¹ w temperaturze 200-350oC
CO + H 2 O → H 2 + CO 2
(3)
Po odmyciu CO2 otrzymuje siê wodór na poziomie czystoœci powy¿ej 99%, jednak równie¿ tutaj nie osi¹ga siê stopnia oczyszczenia wodoru z tlenku wêgla wymaganego na przyk³ad przez ogniwa
membranowe PEMFC (na poziomie nie przekraczaj¹cym 15 ppm).
Na potrzeby przygotowania paliwa do ww. ogniw wykorzystuje siê
czêœciowe utlenianie pozosta³ego po reformingu tlenku wêgla
z ma³¹ iloœci¹ powietrza w temperaturze 100oC:
2CO + O2 → 2CO2
Przygotowanie paliwa
Ogniwa niskotemperaturowe (PAFC, PEMFC) s¹ zasilane wodorem z zewnêtrznego reformera gazu ziemnego, natomiast wysokotemperaturowe (MCFC oraz SOFC) mog¹ byæ zasilane bezpoœrednio gazem ziemnym (zachodzi w nich tzw. wewnêtrzny reforming
paliwa). W obu przypadkach – jako surowiec reformingu, jak równie¿ jako paliwo bezpoœrednio do ogniwa, gaz ziemny musi by od-
(4)
Reformowanie parowe w porównaniu z czêœciowym utlenianiem
ma tê zaletê, ¿e iloœæ wodoru w produktach reakcji jest znacznie
8
A rtyku³y
Nowoczesne Gazownictwo 1 (XI) 2006
W pierwszej grupie istnieje ok. 80 producentów, którzy oferuj¹
przedkomercyjne i testowe uk³ady ogniw paliwowych polimerowych (ok. 85% udzia³u w rynku) i tlenkowych. W zasilaniu ogniw
paliwowych tego typu dominuje gaz ziemny (oko³o 50%) oraz wodór (oko³o 45%). Wysoki udzia³ wodoru dotyczy przede wszystkim ogniw pracuj¹cych okresowo [3]. Natomiast rynek du¿ych instalacji zdominowa³o kilku producentów, przy czym tempo jego
rozwoju, ze wzglêdu na konieczne du¿e nak³ady finansowe na badania i du¿y stopieñ z³o¿onoœci technologicznej, jest wolniejsze.
Poni¿ej zostan¹ krótko scharakteryzowane dwa przyk³adowe
rozwi¹zania ogniw ma³ej mocy oferowanych w Europie przez firmy Vaillant GmbH (Niemcy) – polimerowe, 4,6 kW, oraz Hexis
AG (Szwajcaria) – tlenkowe, 1 kW. Aktualne komercyjne i przedkomercyjne rozwi¹zania na rynku du¿ych instalacji zostan¹ zaprezentowane na przyk³adach produktów firm UTC Power (Stany
Zjednoczone) – kwasowe, 200 kW, MTU CFC Solutions (Niemcy) – wêglanowe, 250 kW, oraz Siemens Westingouse (Stany Zjednoczone) – tlenkowe, 100 kW.
Przyk³adem niskotemperaturowego ogniwa paliwowego
PEMFC zasilanego gazem ziemnym jest ogniwo opracowane
przez firmê Vaillant we wspó³pracy z Plug Power do ma³ych instalacji stacjonarnych o mocy elektrycznej 4,6 kW, cieplnej 7 kW
i temperturze pracy 80–90oC, znane pod nazw¹ BZH (Brennstoffzellen-Heizgeräte), w Polsce popularyzowane jako GOP (Grzewcze Ogniwo Paliwowe). W okresie od listopada 2001 r. do marca
2005 r. firma prowadzi³a projekt pod nazw¹ wirtualnej elektrowni
(VFCPP - Virtual Fuel Cell Power Plant), finansowany w kwocie
8,6 mln EUR przez Komisjê Europejsk¹ w ramach 5 Programu Ramowego. Projekt polega³ na testowaniu 31 ogniw, zainstalowanych
g³ównie w domach wielorodzinnych, w kilku krajach europejskich: Niemczech, Holandii, Hiszpanii oraz Portugalii, wzajemnie
po³¹czonych za poœrednictwem jednego centrum sterowania. W
grudniu 2005 firma obwieœci³a wyprodukowanie 1 mln kWh pr¹du
i 2,9 mln kWh ciep³a podczas 330 tys. godzin pracy przez testowane przez ni¹ uk³ady prototypowe.
Ogniwo kwasowe PAFC, mimo ¿e nale¿y do rozwi¹zañ starszej
generacji, jako jedyne jest aktualnie komercyjnie dostêpnym produktem. Dziêki wspólnemu projektowi amerykañskiej firmy International Fuel Cells (IFC, obecnie UTC Fuel Cells) i japoñskiej Toshiby, które powo³a³y firmê ONSI. Firma zbudowa³a i testowa³a
prototyp uk³adu kogeneracyjnego wykorzystuj¹cego pakiet ogniw
paliwowych o mocy elektrycznej 200 kW i mocy cieplnej ok.
250 kW, znany pod nazw¹ PC25, a nastêpnie wprowadzi³a go na
rynek (fot. 2). Sprawnoœæ elektryczna uk³adu wynosi oko³o 40%.
Uk³ad jest nadal sprzedawany pod nazw¹ PureCell 200. Zgodnie
z danymi producenta, od 1991 r. zbudowano 275 instalacji w 19
krajach, których ³¹czny czas pracy wynosi 7 mln godzin.
Niemiecka firma MTU CFC Solutions mo¿e poszczyciæ siê
pierwszym wysokotemperaturowym ogniwem zainstalowanym
w szpitalu. W 2001, w klinice w Bad Neustadt, wspólnie z w³adzami Bawarii i przedsiêbiorstwem Ferngas Nordbayern, dostawc¹
gazu, zainicjowano projekt budowy uk³adu kogeneracyjnego na
potrzeby klinki w oparciu o ogniwo paliwowe znane pod nazw¹
HotModule, o mocy elektrycznej 250 kW. Do lipca 2005 uk³ad
przepracowa³ 21 600 godzin. Producent podaje sprawnoœæ elektryczn¹ pakietu ogniw wynosz¹c¹ w przybli¿eniu 55%, natomiast
sprawnoœæ instalacji oko³o 47%.
Ogniwa tlenkowe SOFC, w ci¹gu kilku ostatnich kilku lat, z najs³abiej zaawansowanego technologicznie typu ogniw, osi¹gnê³y fa-
siarczony dla ochrony katalizatora reformingu b¹dŸ katalizatora
anody ogniwa przed zanieczyszczeniem. Odsiarczanie jest realizowane poprzez wstêpne mycie ³ugiem i wod¹, a nastêpnie adsorpcjê
na wêglu aktywnym lub tlenku cynku.
Przy obecnie stosowanych ogniwach SOFC z wewnêtrznym reformingiem gazu ziemnego, wy¿sza temperatura pracy znacz¹co
redukuje problem obecnoœci siarki w paliwie. Koniecznoœæ odsiarczania paliwa dotyczy przede wszystkim ogniw niskotemperaturowych, w których siarka dzia³a szkodliwie na katalizator anodowy.
Wysokotemperaturowe ogniwo wêglanowe MCFC, pretenduj¹ce
do jednego z czo³owych rozwi¹zañ dla energetyki, jest bardziej
wra¿liwe na ten rodzaj zaniczyszczeñ w porównaniu do ogniwa
tlenkowego SOFC (wra¿liwoœæ MCFC na zawartoœæ siarki w paliwie jest oko³o 5 krotnie wiêksza ni¿ SOFC, z uwagi na ni¿sze temperatury pracy). Problem pewnej zawartoœci siarki w paliwie dotyczy równie¿ tradycyjnych odbiorników gazu, w których spalane
jest paliwo gazowe, a produkty spalania zawieraj¹ dwutlenek siarki. Praktycznie wszystkie paliwa kopalne, w tym równie¿ gaz
ziemny, mog¹ zawieraæ pewne iloœci zwi¹zków siarki. Dodatkow¹
przyczyn¹ obecnoœci siarki w paliwie gazowym s¹ substancje nawaniaj¹ce. W Polsce aktualnie stosowany jest tetrahydrotiofen
C4H8S (THT), dawniej równie¿ merkaptany. Oceniaj¹c perspektywy zasilania ogniw paliwowych gazem ziemnym warto dodaæ, ¿e
stosowanie bezsiarkowych nawaniaczy jest ju¿ prowadzone. Pewne doœwiadczenia w tym zakresie posiada firma E.ON Ruhrgas,
która we wspó³pracy z Niemieckim Stowarzyszeniem Bran¿y Gazowej i Wodnej DVGW opracowa³a formu³ê bezsiarkowego nawaniacza, dostêpnego pod handlow¹ nazw¹ Gasodor S-Free. Ciekawostk¹ jest fakt, ¿e przestawienie nawanialni na nowy rodzaj nawaniacza wi¹¿e siê z koniecznoœci¹ przeprowadzenia kampanii informacyjnej, polegaj¹cej na zapoznaniu u¿ytkowników gazu z nowym, charakterystycznym zapachem nawaniacza.
Kolejnym problemem jest obecnoœæ tlenku wêgla w paliwie. Po
procesie reformingu wodór zawiera pewn¹ iloœæ tlenków wêgla,
które zanieczyszczaj¹ ogniwo. Tlenek wêgla adsorbuje na powierzchni katalizatora uniemo¿liwiaj¹c dostêp cz¹steczkom wodoru. Tolerancja na CO jest na poziomie ppm w niskotemperaturowych ogniwach oraz na poziomie tysiêcy ppm dla ogniw wysokotemperaturowych. W praktyce oznacza to, ¿e ogniwa wysokotemperaturowe mog¹ wykorzystywaæ tlenek wêgla, co czyni je bardziej elastycznymi z punku widzenia dostêpnych paliw wêglowodorowych. Mo¿liwoœæ prowadzenia wewnêtrznego reformingu paliwa zwiêksza sprawnoœæ i upraszcza instalacjê, z uwagi na brak
koniecznoœci instalowania zewnêtrznego reformera paliwa.
Wp³yw ogniw paliwowych na œrodowisko zale¿y w du¿ej mierze od sposobu uzyskiwania stosowanego w nich paliwa. Tak wiêc
du¿o badañ koncentruje siê na rozwoju lepszych reformerów
i uk³adów czyszcz¹cych.
Wybrane przyk³ady systemów
prototypowych
Bior¹c pod uwagê wielkoœæ instalacji, rynek stacjonarnych ogniw
paliwowych do zastosowañ w energetyce gazowej mo¿e byæ podzielny na dwie kategorie:
• ogniwa o ma³ej mocy elektrycznej do zastosowañ przydomowych (od 0,5 do 10 kW),
• du¿e instalacje ogniw o mocy elektrycznej do kilku MW.
9
A rtyku³y
Nowoczesne Gazownictwo 1 (XI) 2006
sprawnoϾ elektryczna (%)
ne aspektami ochrony œrodowiska jest powa¿nym atutem w rozwoju tej technologii. Poniewa¿ zasada dzia³ania ogniwa paliwowego
opiera siê na reakcji chemicznej, a nie na spalaniu, emisje s¹ znacznie mniejsze od emisji z konwencjonalnego systemu, realizuj¹cego procesy spalania w silniku cieplnym. Jednoczeœnie sprawnoœæ
ogniw paliwowych jest wyraŸnie wy¿sza od sprawnoœci dowolnego silnika cieplnego, ograniczonej sprawnoœci¹ silnika Carnota,
poniewa¿ ograniczenie te nie dotyczy procesu elektrochemicznego. Porównanie sprawnoœci elektrycznej ogniw paliwowych ze
sprawnoœci¹ tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej
w zale¿noœci od mocy urz¹dzeñ przedstawiono na rys. 3. Widocznym jest, ¿e systemy oparte na niskotemperaturowych ogniwach
paliwowych (PEMFC, PAFC) maj¹ sprawnoœæ elektryczn¹ na poziomie nowoczesnych uk³adów kombinowanych (gazowo-parowych) o kilka rzêdów wielkoœci wiêkszej mocy.
Ogniwa wysokotemperaturowe charakteryzuj¹ siê wy¿sz¹
sprawnoœci¹, któr¹ w przypadku ogniw tlenkowych SOFC dodatkowo mo¿na podnieœæ, tworz¹c tzw. uk³ad hybrydowy, polegaj¹cy
Fot. 2. Modu³ kogeneracyjny PC25 prod. ONSI, zainstalowany
naelektryczna
wykorzystaniu uk³adów
ciep³a odpadowego do napêdu turbiny gazowej.
w zak³adzie gazowniczym w Bochum (fot. E.ON Ruhrgas)
SrawnoϾ
Uproszczony
schemat
rozwi¹zania przedstawiono na
skojarzonych
na bazie
gazutakiego
ziemnego
rys. 4. Sprzê¿enie ogniwa tlenkowego SOFC z turbin¹ gazow¹
zê przedkomercyjn¹. Najlepsze rokowania co do mo¿liwoœci wprowazenia na rynek, dziêki osi¹gniêtej ju¿ sta70
SOFC/TG
bilnoœci i dojrza³oœci technologii ma konstrukcja cylin60
dryczna, której dominuj¹cym producentem jest Sieogniwo palliwowe WT
elektrownie
mens Westinghouse. Instalacja prototypowa o mocy
gazowo-parowe
ogniwo palliwowe NT
100 kW, sk³adaj¹ca siê z 48 pakietów o 24 ogniwach,
40
silniki gazowe
pomyœlnie przepracowa³a 16 600 oraz 3 872 godzin, odturbiny gazowe
powiednio w Holandii oraz Niemczech. Wed³ug danych
20
tylko produkcja pr¹du
producenta wytwarzane obecnie prototypy o mocy 125
decentralne uk³ady skojarzone.
kW pracuj¹ ze sprawnoœci¹ 45–50%.
Prace nad ogniwami tlenkowymi, ale w instalacjach
0
1 kW
10 kW
100 kW
100 MW
1 GW
1 MW
10 MW
ma³ej mocy, przeznaczonych do domów jednorodzinmoc elektryczna
nych z powodzeniem prowadzi równie¿ firma Hexis
WT1) ogniwo paliwowe wysokotemperaturowe
NT2) ogniwo paliwowe niskotemperaturowe
AG (d. Sulzer Hexis), która od 2001 rozwija³a konstrukcjê przedseryjnego modelu ogniwa pod nazw¹
HXS 1000 Premiere, o mocy dostosowanej do œrednich Rys. 3. Sprawnoœæ elektryczna ogniw paliwowych na tle tradycyjnych technopotrzeb energetycznych domu jednorodzinnego. Podlogii produkcji energii elektrycznej z u¿yciem gazu ziemnego
stawowe dane techniczne uk³adu: moc elektryczna
Ciep³o
Powietrze
1 kW, cieplna 2,5 kW, temperatura pracy 900–950oC.
odpadowe
Uk³ad by³ wyposa¿ony w dodatkowy palnik gazowy
Komora spalania
o mocy 12, 16 lub 22 kW, w celu pokrycia szczytowego
Filtr
(dopalania)
zapotrzebowania na ciep³o w budynku. Instalacje ogniw
przepracowa³y ³¹cznie 1,5 mln godzin w 110 domach.
Od 2005 r. nastêpc¹ ogniwa HXS 1000 Premiere jest
przedkomercyjny model o nazwie Galileo 1000 N, sk³aDC
Ogniwo
S
T
G
SOFC
daj¹cy siê z instalacji ogniwa paliwowego o identyczAC
nych wartoœciach mocy elektryczej i cieplnej, oraz palFalownik
Turbina gazowa
nika gazowego o mocy 20 kW.
1)
2)
Perspektywy rozwoju stacjonarnych
ogniw paliwowych zasilanych
gazem ziemnym
Rekuperator
/Podgrzewacz paliwa
Kocio³ odzyskowy
Odsiarczanie
Gaz ziemny
Ogniwa paliwowe uwa¿a siê za jedne z najbardziej
obiecuj¹cych alternatywnych Ÿróde³ energii elektrycz- Rys. 4. Schemat prostego uk³adu z ogniwem SOFC sprzêgniêtym z turbin¹ ganej i ciep³a. Silne zainteresowanie spo³eczne i polityczzow¹ (uk³ad hybrydowy SOFC/TG)
10
A rtyku³y
Nowoczesne Gazownictwo 1 (XI) 2006
Straty ciep³a
ogniwo (4%)
Straty ciep³a obiegu
turbiny (8%)
mickie i inne instytucje badawcze. Ambitne plany komercjalizacji
tej technologii i budowy fabryki na potrzeby produkcji seryjnej na
prze³omie 2005/2006 roku musia³y zostaæ wstrzymane.
Bior¹c pod uwagê aktualny stan rozwoju nale¿y stwierdziæ, ¿e
technologia stacjonarnych ogniw paliwowych, na tle tradycyjnych
uk³adów kogeneracyjnych opartych o silniki cieplne, nie jest jeszcze wystarczaj¹co dopracowana do osi¹gniêcia fazy komercyjnej.
Instalacje nie s¹ jeszcze gotowe do wprowadzenia na masow¹ skalê na rynek, przy czym kluczem do przyci¹gniêcia klientów bêdzie
rozwi¹zanie dwóch zasadniczych kwestii: wysokiej ceny oraz niedostatecznej trwa³oœci i niezawodnoœci oferowanych instalacji.
Aktualny przybli¿ony koszt technologii ogniw paliwowych jest nastêpuj¹cy:
• Polimerowe PEMFC — 5 000 USD/kW, w zakresie ma³ych
mocy 1–10 kW, 20 000 USD/kW przy mocy 250 kW.
• Kwasowe PAFC — 3 500 USD/kW w zakresie mocy
200kW–1MW.
• Wêglanowe MCFC — 3 000–4 000 USD/kW, w zakresie mocy
250kW–1MW,
• Tlenkowe SOFC — 10 000–20 000 USD/kW, w zakresie mocy
1kW–250kW,
W przypadku masowej produkcji ceny oczywiœcie by³yby ni¿sze,
jednak nak³ady inwestycyjne wci¹¿ oczywiœcie pozostaj¹ barier¹
dla pojawienia siê ogniw paliwowych szeroko w u¿yciu. Prognozuje siê, ¿e upowszechnienie technologii ogniw paliwowych
w energetyce na rynku amerykañskim bêdzie mo¿liwe dopiero po
osi¹gniêciu ceny poni¿ej 1 000 USD/kW. Odnoœnie trwa³oœci urz¹dzeñ i zwi¹zanej z ni¹ d³ugoœci okresu eksploatacji, szacuje siê, ¿e
w przypadku uk³adów stacjonarnych, zadawalaj¹cym móg³by byæ
wynik 40 000 godzin [4]. Bior¹c pod uwagê ,,przebiegi” aktualne
testowanych na obiektach urz¹dzeñ na poziomie 20 000 godzin,
widocznym jest, ¿e spe³nienie powy¿szego kryterium nie wydaje
siê nazbyt odleg³ym celem. W przypadku ogniw wysokotemperaturowych dodatkowe ciep³o uzyskuje siê w postaci gor¹cej wody
i przegrzanej pary wodnej, natomiast w przypadku ogniw niskotemperaturowych, niskie temperatury pracy ograniczaj¹ iloœæ ciep³a, które mog³oby byæ w sposób efektywny wykorzystane w uk³adach kogeneracyjnych. W zwi¹zku z powy¿szym bêd¹ musia³y byæ
rozwiniête technologie podwy¿szaj¹ce temperatury pracy ww.
ogniw i/lub opracowane bardziej wydajne uk³ady odzysku ciep³a.
Rozwa¿ane s¹ równie¿ technologie umo¿liwiaj¹ce uzyskanie mocy ch³odniczej z ciep³a odprowadzonego z instalacji ogniw paliwowych do otoczenia.
W dokumencie [5] Komisja Europejska wymienia nastêpuj¹ce
wyzwania stoj¹ce przed technologi¹ ogniw paliwowych:
• koszty — poza specjalizowanymi zastosowaniami, takimi jak dodatkowe Ÿród³a zasilania awaryjnego, uk³ady UPS dla instytucji
finansowych, itp., ogniwa paliwowe s¹ dzisiaj ogólnie zbyt drogie do osi¹gniêcia komercjalizacji;
• czas ¿ycia — niektóre instalacje ogniw paliwowych mog¹ pracowaæ przez okres rzêdu tysiêcy godzin, ale wiêkszoœæ nadal musi
udowodniæ swoj¹ przydatnoœæ i trwa³oœæ;
• niezawodnoœæ — nie tylko ogniwa paliwowe, ale równie¿ urz¹dzenia i wyposa¿enie peryferyjne, np. reformery paliwa, musz¹
byæ nadal testowane i ostatecznie sprawdzone;
• nowatorstwo technologii — na wielu, zw³aszcza konserwatywnych rynkach, ka¿da nowa technologia wymaga znacz¹cej promocji i akceptacji spo³ecznej w celu stworzenia warunków do jej
konkurowania z rozwi¹zaniami istniej¹cymi do tej pory;
Ciep³o grzewcze (23%)
TG AC (12%)
Ciep³o
SOFC
AC (48%)
Energia
elektryczna
netto
Straty zamiany
DC→AC (3%)
do TG
W³asne zu¿ycie
energii (2%)
Energia paliwa
(100%)
Rys. 5. Wykres Sankeya przep³ywów energii w uk³adzie hybrydowym SOFC/TG (Ÿr. Siemens Westinghouse)
(TG) jest mo¿liwe dziêki wysokiej temperaturze pracy ogniwa,
które pe³ni funkcjê komory spalania w typowym obiegu turbiny
gazowej. Uk³ad sprzê¿ony zapewnia bardzo wysok¹ sprawnoœæ
elektryczn¹. Dzieje siê tak z dwóch powodów: po pierwsze, turbina gazowa umo¿liwia konwersjê ciep³a z ogniwa na dodatkow¹
energiê elektryczn¹, a po drugie, podwy¿szenie ciœnienia pracy
ogniwa poprawia wydajnoœæ procesu elektrochemicznego zachodz¹cego w ogniwie.
Pierwsz¹ tego typu instalacj¹ prototypow¹ na Œwiecie by³o
przedstawione ju¿ wczeœniej ogniwo SOFC firmy Siemens Westinghouse o mocy 220 kW pracuj¹ce w uk³adzie hybrydowym z turbin¹ gazow¹ przez okres 3 257 godzin w Kaliforni, ze sprawnoœci¹
53%. Kolejny uk³ad o mocy 300 kW by³ testowany w laboratorium firmy w Pittsburgh, w Pensylwanii. Firma ma w planach
skonstruowanie prototypu instalacji o mocy elektrycznej 1MW,
w oparciu o turbinê 150-200kW. Wykres przep³ywów energii w
tym uk³adzie przedstawiono na rys. 5. Oczekiwana wartoœæ sprawnoœci elektrycznej na poziomie 60%, znacznie przewy¿sza sprawnoœci nowoczesnych uk³adów gazowo-parowych o mocach przekraczaj¹cych 500 MW, dlatego uk³ady hybrydowe SOFC/TG s¹
szczególnie obiecuj¹ce jako alternatywa dla scentralizowanej produkcji energii elektrycznej.
Realizacja prototypu instalacji o mocy 1 MW napotka³a jednak
na trudnoœci ze znalezieniem odpowiedniej turbiny. Obecnoœæ
ogniwa zamiast komory spalania powoduje wyd³u¿enie czasów reakcji na zmiany obci¹¿enia, jeœli chodzi o zmiany strumienia ciep³a i ciœnienia gazu do turbiny. Równie¿ dla ogniwa, sprzê¿enie
z turbin¹ gazow¹ oznacza koniecznoœæ eksploatacji przy silnych
zmianach temperatury (np. w przypadkach wy³¹czenia turbiny)
i zwi¹zanych z tym du¿ych naprê¿eniach termicznych w ceramicznych elementach ogniwa. W rezultacie zaobserwowano mikro-pêkniêcia obni¿aj¹ce trwa³oœæ pow³ok na elementach ogniwa.
Powoduje to problemy jeœli chodzi o niezawodnoœæ konstrukcji.
Prace nad projektem prowadzone s¹ w Instytucie Maszyn Przep³ywowych na Uniwersytecie w Hanowerze, podobnie jak przy wielu
innych projektach dot. technologii ogniw paliwowych, w których
obok producentów, do badañ zaanga¿owano tak¿e oœrodki akade-
11
A rtyku³y
Nowoczesne Gazownictwo 1 (XI) 2006
wêgla s¹ reformery gazu ziemnego. Niski poziom ha³asu, niewielka emisja zanieczyszczeñ oraz niewielkie gabaryty oznaczaj¹ brak przeszkód w sytuowaniu instalacji ogniw paliwowych
w praktycznie dowolnej lokalizacji.
• Modu³owoœæ konstrukcji sprawia, ¿e istnieje du¿a ³atwoœæ w doborze mocy uk³adu i jego ewentualnej rozbudowie. Warto podkreœliæ, ¿e sprawnoœæ ogniwa w du¿ym stopniu nie zale¿y od
zmian obci¹¿enia.
Postêp w rozwoju technologii ogniw paliwowych bêdzie zale¿a³ od
wyników badañ w wielu dyscyplinach naukowych, takich jak in¿ynieria materia³owa, termodynamika, mechanika p³ynów. W pracach bierze udzia³ coraz wiêcej firm, instytucji naukowych, a tak¿e organizacji pozarz¹dowych, które równie¿ znacz¹co przyczyniaj¹ siê do popularyzacji wiedzy na temat tej technologii.
• infrastruktura — zak³ady produkcyjne, us³ugi serwisowe, itp. —
nadal s¹ to brakuj¹ce elementy rynku, jeœli chodzi o technologiê
ogniw paliwowych.
Ogniwa paliwowe ze wzglêdu na wysok¹ sprawoœæ uk³adów i nisk¹ emisjê zanieczyszczeñ s¹ z pewnoœci¹ interesuj¹cym
rozwi¹zaniem. Dodatkowo, pozytywny wp³yw na rozwój technologii ogniw paliwowych maj¹ d¹¿enia do tworzenia zdecentralizowanych Ÿróde³ energii elektrycznej i poprawienia bezpieczeñstwa
energetycznego odbiorców. Du¿e perspektywy maj¹ obecnie wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe, które mog³yby funkcjonowaæ w rozproszonym systemie Ÿróde³ energii elektrycznej œredniej
mocy.
Wnioski
Literatura
Mo¿na przyj¹æ nastêpuj¹ce kryteria przy ocenie mo¿liwoœci zasilania ogniw paliwowych gazem ziemnym, z perspektywy ich wykorzystania w energetyce: sprawnoœæ, oddzia³ywanie na otoczenie
i œrodowisko, w tym emisje zanieczyszczeñ oraz elastycznoœæ eksploatacyjna:
• Ogniwa paliwowe mog¹ produkowaæ zarówno ciep³o jak i energiê elektryczn¹, z wykorzystaniem ró¿nych paliw wêglowodorowych. S¹ wysoce wydajn¹ technologi¹ konwersji energii, której
sprawnoϾ w przypadku ogniw wysokotemperaturowych
w uk³adach hybrydowych z turbin¹ gazow¹ znacznie przewy¿sza sprawnoœæ nowoczesnych uk³adów gazowo-parowych na
poziomie 55%. Wysokiej sprawnoœci towarzyszy wysoka jakoœæ
produkowanej energii elektrycznej. W porównaniu do tradycyjnych uk³adów kogeneracyjnych opartych na silnikach spalinowych i turbinach gazowych, ogniwa paliwowe pracuj¹ przy
wy¿szych wskaŸnikach skojarzenia (stosunku iloœci produkowanej energii elektrycznej do ciep³a).
• Poniewa¿ ogniwa pracuj¹ przy stosunkowo niskich temperaturach, w zasadzie nie wytwarzaj¹ tlenków azotu. Ponadto, z uwagi na wykorzystywanie odsiarczonego paliwa, pracy ogniw paliwowych praktycznie nie towarzyszy wytwarzenie tlenków siarki, a jedynym, znacz¹cym Ÿród³em emisji tlenku oraz dwutlenku
[1] Chaczykowski M., Osiadacz A., Rubik M.: Nowoczesne
techniki grzewcze z wykorzystaniem gazu ziemnego.
Nowoczesne Gazownictwo, 4(V), 2000, s. 16–25.
[2] Warowny W., Hoœci³owicz A.: Ogniwa paliwowe
przysz³oœci¹ technologii energetycznych. Nowoczesne
Gazownictwo, 8(IV), 2003, s. 41–50.
[3] Demusiak G., Warowny W.: Stacjonarne ogniwa paliwowe
i ich zastosowanie w gospodarstwach domowych. Gaz
Woda i Technika Sanitarna 10/2005, s. 10-15.
[4] Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies
Program, Multi-Year Research Development and
Demonstration Plan, Planned program activities for 20032010, Departament Energii USA, 2005.
[5] EUR 20719 EN - Hydrogen Energy and Fuel Cells
- A vision of our future, Raport Komisji Europejskiej,
Luxembourg, 2003.
[6] Materia³y informacyjne instytucji: Initiative
Brennstoffzelle, Fuell Cell Norway, Fuell Cell Today,
National Academy of Engineering, U.S. Environmental
Protection Agency.
[7] Materia³y informacyjne firm: E.ON Ruhrgas AG, Hexis
AG, MTU CFC Solutions GmbH, RWE AG, Siemens AG,
Symrise GmbH, UTC Power, Vaillant GmbH.
12