Biuletyn AGH
Magazyn Informacyjny Akademii Górniczo-Hutniczej
23 lipiec 2019
Strona GłównaBiuletyn AGHArchiwumKontakt
Ogniwa paliwowe dla energetyki rozproszonej i zastosowań mobilnych

Energetyka rozproszona jest ważnym elementem składowym niskoemisyjnego, sprawnego systemu energetycznego. Obecnie w świecie można zaobserwować wzrost zastosowań ogniw paliwowych jako generatorów energii w systemach energetyki rozproszonej. Ogniwa paliwowe (OP) to urządzenia elektrochemiczne, w których zachodzi bezpośrednia konwersja energii chemicznej paliwa na energię elektryczną i ciepło.

Cechą charakterystyczną OP jest to, że substancje elektro-aktywne: utleniacz i paliwo dostarczane są do niego z zewnątrz, zaś produkty reakcji odprowadzane są poza ogniwo. Podstawą klasyfikacji ogniw paliwowych są zazwyczaj dwa kryteria: rodzaj stosowanego elektrolitu i temperatura pracy.

Można wyróżnić pięć podstawowych typów ogniw paliwowych: z membraną polimerową (ang. Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC, temperatura pracy 30-80°C), alkaliczne (ang. alkaline fuel cell, AFC, temperatura pracy 50-200°C), zawierające jako elektrolit kwas fosforowy (ang. phosphoric acid fuel cell, PAFC, temp. pracy ~220°C), węglanowe (ang. Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC, temp. pracy ~ 650°C ) stałotlenkowe (ang. solid oxide fuel cells, SOFCs, temp. pracy 800-900°C).

Podstawowym paliwem dla OP jest wodór. Jednak urządzenia te mogą być też bezpośrednio zasilane gazowymi paliwami węglowodorowymi, gazem syntezowym, paliwami ciekłymi (na przykład metanolem, etanolem, amoniakiem, kwasem mrówkowym) czy nawet stałym sproszkowanym węglem. Obecnie najszybszy rozwój technologiczny obserwowany jest dla wodorowo-tlenowych OP z elektrolitem stałym to jest dla ogniw PEMFC lub SOFC. OP PEMFC znajdują zastosowania praktyczne w generatorach stacjonarnych o mocy kilkuset kilowatów, pomocniczych urządzeniach zasilających (ang. Auxiliary Power Units), domowych generatorach elektryczności i ciepła (nazwanych przez firmę Vaillant grzewczymi ogniwami paliwowymi), zasilaczach urządzeń przenośnych. Większość społeczeństwa mieszka w zabudowie jedno lub wielorodzinnej i nie dysponuje lokalnymi źródłami energii. Z myślą o tych użytkownikach rozwijana jest technologia układów (µ-CHP, ang. Micro Combined Heat and Power), które pokrywają zapotrzebowanie na energię elektryczną i ciepłą wodę użytkową. Szczególne korzyści wynikają ze stosowania w układach µ -CHP technologii ogniw paliwowych SOFC, PEMFC. Układy te mogą pracować w systemach energetycznych z odnawialnymi źródłami energii. Na Rys. 1 przedstawiono fotografię stosu ogniw paliwowych PEMFC o mocy 5000 W.

Rys. 1. Fotografia stosu ogniw paliwowych PEMFC H5000
a) widok od strony zamontowania na urządzeniu czterech wentylatorów chłodzących
b) widok od strony wlotu powietrza do przestrzeni katodowej stosu PEMFC H5000

Rys. 1. Fotografia stosu ogniw paliwowych PEMFC H5000
a) widok od strony zamontowania na urządzeniu czterech wentylatorów chłodzących
b) widok od strony wlotu powietrza do przestrzeni katodowej stosu PEMFC H5000 - fot. A. Raźniak

Opracowanie efektywnego układu zasilania elektrycznego ogniwami paliwowymi sprzętu wojskowego było i jest jednym z głównych celów strategicznych w wielu krajach świata. Przykładem są układy zasilania dla sprzętu rakietowego, okrętów podwodnych i transportu kołowego, w tym pomocnicze źródła energii dla czołgów, transporterów opancerzonych i samolotów. Ponadto w tej dziedzinie duże nakłady finansowe kierowane są na rozwój ogniw paliwowych dla bezzałogowych aparatów latających, a także źródeł zasilania indywidualnego wyposażenia żołnierza (noktowizory, sprzęt telekomunikacyjny, GPSy, kamery, układy identyfikacji, komputery).

Magazynowanie energii elektrycznej stanowi nie tylko ważny element rynkowego podejścia do równoważenia popytu i podaży energii elektrycznej przy jednoczesnym zapewnieniu niezawodności dostarczania energii elektrycznej. Jako element sieci inteligentnej (smart grid) jest również ważnym elementem uzupełnienia sieci rozproszonej zawierającej odnawialne źródła energii, która narażona jest na niestabilne działanie na skutek zmiennych warunków pogodowych.

Rys. 2a. Zajęcia dydaktyczne z zakresu technologii wodorowych dla studentów z Tadżykistanu prowadzone metodą e-learning, a realizowane w AGH w Centrum Energetyki (C6 lab 211)

Rys. 2a. Zajęcia dydaktyczne z zakresu technologii wodorowych dla studentów z Tadżykistanu prowadzone metodą e-learning, a realizowane w AGH w Centrum Energetyki (C6 lab 211) - fot. J. Maraszek

Energia elektryczna może zostać zmagazynowana również w postaci energii chemicznej paliw. W tej technologii energia elektryczna pochodząca ze źródeł odnawialnych lub nadwyżek z produkcji energii jest wykorzystywana do produkcji wodoru metodą elektrolizy. Proces ten przebiega głównie w elektrolizerach polimerowych lub alkalicznych. Otrzymany w tej technologii wodór wysokiej czystości może być dalej wykorzystywany jako surowiec do syntez paliw gazowych (ang. power to gas) czy paliw ciekłych (ang. power to liquid).

Interesującym rozwiązaniem w technologiach magazynowania energii elektrycznej w postaci gazowych lub ciekłych paliw może być wykorzystanie elektrolizerów stałotlenkowych, w których możliwy jest proces bezpośredniej konwersji CO2 i H2O do gazu syntezowego (H2+CO). Proces ten zachodzi w temperaturach od 750 do 900°C. Elektrolizery stałotlenkowe w porównaniu do niskotemperaturowych charakteryzują się wyraźnie niższym napięciem pracy, co znacznie obniża zapotrzebowanie na energię elektryczną, a zatem koszt wytwarzania wodoru jest niższy. Ponadto w przypadku współelektrolizy (CO2 i H2O) obecność wodoru i pary wodnej w komorze katodowej zapobiega osadzaniu się węgla na cermecie niklowo-cyrkonowym. Skala tego problemu jest znacznie mniejsza niż w przypadku elektrolizy tylko CO2. Do elektrolizera stałotlenkowego można bezpośrednio podłączyć reaktor chemiczny do wytwarzania metanu lub innych paliw syntetycznych. Czynniki te wskazują na duże możliwości zbudowania urządzenia kompaktowego do produkcji paliw odnawialnych. Ciepło odpadowe pochodzące z reaktora metanu może być również wykorzystane do produkcji pary wodnej. Z kolei w przypadku dopracowania składu chemicznego oraz budowy pojedynczych odwracalnych ogniw stałotlenkowych to samo urządzenie w zależności od potrzeb może pełnić funkcję elektrolizera stałotlenkowego, wytwarzającego paliwo lub ogniwa paliwowego generujące energię elektryczną, co ma duże znaczenie dla projektowanych niezależnych zdecentralizowanych sieci energetycznych (ang. off-grid).

Rys. 2b. Student AGH Hubert Stinia z KN FENEC przeprowadza wspólnie z tadżyckimi studentami eksperymenty w ramach terenowych zajęć laboratoryjnych dotyczących energetyki słonecznej; w trakcie wizyty studentów AGH w Tadżykistanie w 2018 roku

Rys. 2b. Student AGH Hubert Stinia z KN FENEC przeprowadza wspólnie z tadżyckimi studentami eksperymenty w ramach terenowych zajęć laboratoryjnych dotyczących energetyki słonecznej; w trakcie wizyty studentów AGH w Tadżykistanie w 2018 roku - fot. M. Stawiński

Duże nadzieje wiąże się z wykorzystaniem OP do zasilania środków transportu takich jak samochody elektryczne, okręty, a ostatnio samoloty. Powodem podejmowania prób aplikacyjnych z OP są ich zalety w stosunku do silników spalinowych w tych specyficznych zastosowaniach: ogniwa paliwowe pracują cicho, w szczególności predysponuje to ich użycie w bezzałogowych aparatach latających rozpoznawczych dla celów wojskowych i cywilnych; nie emitują spalin, a przez to dymu i zapachów; emisja ciepła jest niewielka. Z powodu braku części ruchomych zmniejszone zostają wibracje, a także uproszczona obsługa i zwiększona niezawodność, dzięki wysokiej sprawności OP oszczędzane jest paliwo.

W katedrze Zrównoważonego Rozwoju Energetycznego na Wydziale Energetyki i Paliw w ścisłej współpracy z Centrum Energetyki w Zespole dr hab. inż. Magdaleny Dudek prowadzone są prace badawczo-rozwojowe dotyczące technologii wodorowych, projektowania konstrukcji i diagnostyki prototypów z ogniwami paliwowymi. Prace te prowadzone są w ramach projektów NCBR we współpracy z partnerami przemysłowymi. Obecnie zespół pracuje nad opracowaniem generatora energii z ogniwami paliwowymi o mocy 10 kW jako komponentu napędu hybrydowego (baterie elektrochemiczne plus stos ogniw paliwowych o mocy 10 kW), a także energetycznego systemu (pakiet baterii plus stos ogniw paliwowych o mocy 2 kW) do zasilania bezzałogowego statku powietrznego. Niedawno został zakończony projekt dotyczący opracowania źródła energii z ogniwami paliwowymi jako pomocniczego systemu zasilania. Kolejne obszary działalności zespołu to rozwój technologii magazynowania i użytkowania wodoru jako paliwa do zasilania ogniw paliwowych w systemach transportowych. Wraz z rozwojem tego kierunku prac nieodzownym etapem jest kształcenie nowej grupy kadry specjalistów (inżynierów, magistrów inżynierów jak i doktorów nauk technicznych).

Dla tego celu we współpracy z Centrum Energetyki utworzono specjalistyczne laboratoria badawczo-dydaktyczne akumulatorów i ogniw paliwowych (C6 lab 211) oraz termochemicznej i elektrochemicznej konwersji paliw (C5 lab 101-103). Laboratorium posiada unikalne w skali kraju zaplecze badawczo-dydaktyczne do realizacji prac dyplomowych (I, II stopień) z zakresu ogniw paliwowych PEMFC, SOFC zasilanych wodorem lub paliwami alternatywnymi, technologii magazynowania wodoru czy systemów power to gas lub power to liquid. Laboratoria te cieszą się dużym zainteresowaniem wśród studentów, czego wyrazem jest podejmowanie prac nie tylko przez studentów z macierzystego wydziału, ale także przebywających w ramach programów międzynarodowych (Erasmus, Unesco). Corocznie w tym laboratorium realizuje prace dyplomowe 5–6 osób z zagranicy.

Nieodzownym elementem prac jest zaangażowanie w interdyscyplinarne badania dotyczące OZE, technologii wodorowych czy ogniw paliwowych studentów w ramach powstałego koła naukowego FENEC. Spektakularnym przykładem jest projekt „Tadżikistan – energia dla edukacji”, gdzie studenci naszego wydziału prowadzą metodami e-learning kurs z zakresu odnawialnych źródeł energii i technologii wodorowych dla studentów Uniwersytetu w Tadżikistanie.

W ramach prac koła naukowego FENEC prowadzone są również badania nad wykorzystaniem ogniw paliwowych jako źródła energii w hybrydowych, napędach między innymi dla roweru elektrycznego (rys. 3) i innych pojazdów, w tym autonomicznych takich jak mini łódź podwodna.

Rys 3. Rower elektryczny FENEC z napędem hybrydowym wykorzystującym zasilane wodorem polimerowe ogniwo paliwowe

Rys 3. Rower elektryczny FENEC z napędem hybrydowym wykorzystującym zasilane wodorem polimerowe ogniwo paliwowe - fot. M. Nowobilski

Dla studentów Wydziału Energetyki i Paliw, a także w ramach bazy przedmiotów obowiązkowych oraz obieralnych z bazy ogólnouczelnianej dla studentów z zagranicy i innych wydziałów, prowadzone są między innymi zajęcia z ćwiczeniami laboratoryjnymi i projektowymi w takich kursach/przedmiotach jak między innymi: konwersja energii, magazynowanie energii, dystrybucja energii w układach z odnawialnymi źródłami energii, efektywne użytkowanie energii w budynkach, materiały ceramiczne dla energetyki, materiały i technologie wodorowe, energy efficiency, energy and environment, fuel cells.

Zapraszamy studentów zagranicznych w ramach programu Erasmus oraz studentów AGH z innych wydziałów do wybierania przedmiotów z bazy ogólnouczelnianej. Zachęcamy również do wybierania prac dyplomowych inżynierskich i magisterskich oraz rozwijania swoich zainteresowań w ramach działalności koła naukowego w zakresie zagadnień obejmujących działalność laboratoriów w zespole dr hab. inż. M. Dudek.

Magdalena Dudek,
Andrzej Raźniak