ZAGORO MOJA
Ante Tešija
Domina Cikatić Šanić – Povratak u budućnost: 3. dio
Domina Cikatić Šanić
SIMULACIJA RADA SAMOSTALNOG KOGENERACIJSKOG SUSTAVA U SPREZI S OBNOVLJIVIM IZVORIMA ENERGIJE
Referentni stambeni objekt četveročlane obitelji (70m2) nalazi se u području mediteranske klime (Split, Hrvatska) s potrošnjom električne energije od 10kWh/dan. Dosadašnji klasični način dobivanja energije za potrebe ovog domaćinstva odnosi se na dva neovisna izvora – kotao za centralno grijanje (CG) i električna mreža. Naime, kotao za CG služi za grijanje prostora i pripremu tople vode (PTV), dok se električni profil kućanstva (rad električnih uređaja) pokriva kupnjom električne energije iz mreže. Za hlađenje prostora u ljetnim mjesecima kompresor dizalice topline (klima- uređaj) također treba el. energiju iz mreže. Mikro-kogeneracijski sustav (mCHP) u usporedbi s navedenim klasičnim sustavom, istovremeno pokriva zahtjeve za toplinskom i električnom energijom kućanstva uz stupanj učinkovitosti veći od 90% zato što koristi otpadnu toplinu nastalu radom gorivnog članka (PEMFC). Simulacija modela hibridnog sustava s mCHP odrađena je pomoću računalnog optimizacijskog modela HOMER, razvijenog u američkom nacionalnom laboratoriju za obnovljive izvore energije (NREL) .
Dijelovi sustava:
Samostalni hibridni energetski sustav sastoji se od fotonaponskog panela PV i vjetroagregata WT, kao obnovljivih izvora, dok se mCHP sastoji od podsustava niskotemperaturnih gorivnih članaka (PEMFC, elektrolizator i spremnik H2), električne dizalice topline (DT) i toplinskog spremnika (TS).
Princip rada:
PV i WT pretvaraju energiju sunca i vjetra u električnu energiju kojom, osim što slijede električni profil domaćinstva, napajaju elektrolizator za proizvodnju vodika za gorivni članak. U satima bez sunca /vjetra, gorivni članak nadomješta potrebe domaćinstva za električnom energijom, ujedno proizvodeći otpadnu toplinu kojom slijedi toplinski profil domaćinstva. Višak ovako dobivene električne energije pohranjuje se u TS. Sustav uzima toplinu pohranjenu u TS za pripremu PTV u satima kada navedeni uređaji proizvode manje energije nego što zahtijeva domaćinstvo. Baterijski komplet služi samo za brz odaziv na nagle promjene električnog opterećenja, te kao sigurnost da sustav ne ostane bez el. napajanja. Najslabija su karika zbog kratkog životnog vijeka i sofisticirane kontrole.
Hibridni PV/WT/baterija/PEMFC sustav sastoji se od 10kW fotonaponskih panela (63% udjela sunčeve energije), jednog vjetroagregata od 2,5 kW (24% udjela vjetra), baterijskog kompleta ukupnog nominalnog kapaciteta 14,4 kWh i 10 kW pretvarača AC/DC. Hibridnom sustavu dodan je PEMFC podsustav od 3 kW PEMFC i elektrolizatorom od 5 kW sa spremnikom za pohranu vodika od 30 kg. Za pogon kompresora (2kW) dizalice topline koristi se električna energija proizvedena iz obnovljivih izvora ili PEMFC, ovisno o dostupnosti električne energije iz spomenutih uređaja. Načelno, prostor se grije kada je vanjska temperatura niža od 15 ° C i hladi kada je vanjska temperatura viša od 22 ° C. Prosječno opterećenje kompresora dizalice topline tijekom zimskih dana je 8h / dan, a tijekom ljetne sezone 6h / dan.
Zaključak:
Za skladištenje energije sustav koristi kombinaciju baterije i vodika, pri čemu mali baterijski komplet djeluje kao pufer spremnik, dok je glavnina energije pohranjena u obliku vodika. Rezultati analize rada sustava pokazuju kako PEMFC omogućava pouzdani rad mCHP sustava tijekom cijele godine uz vrlo visoku učinkovitost, proizvodeći optimalnu količinu energiju za nadomještanje kućnih energetskih potreba, posebno u trenucima kada sunce i vjetar nisu dostupni.
PEMFC mikro-kogeneracijski sustavi pokazuju izrazitu prednost u odnosu na konkurentne tehnologije. Naime, gorivni članak kao niskotemperaturni izvor topline za mikro-kogeneraciju omogućava dosljedniji rad mCHP postrojenja tijekom cijele godine, čime se postiže vrlo visoka učinkovitost, s potencijalom korištenja energije goriva većim od 90%, u usporedbi s ukupnom učinkovitošću od 45% do 50% sustava koji električnu energiju dobiva iz termoelektrane izgaranjem prirodnog plina, a toplinsku energiju na licu mjesta izgaranjem prirodnog plina ili nekog drugog fosilnog goriva u kotlu za centralno grijanje.
Nadalje, primjena mikro-kogeneracije bazirane na PEMFC omogućuje brži probitak obnovljivih izvora energije na tržište i pouzdanu opskrbu energijom kada sunce ili vjetar nisu dostupni .
U svrhu optimiranja performansi mikro-kogeneracijskog sustava, potrebno je uložiti daljnje istraživačke napore u razvijanje 3D modela gorivnog svežnja, numeričke modele termodinamičke procjene otpadne topline i produljenje vijeka trajanja PEMFC sustava . Rješavanje tehnoloških problema, razvijanjem i primjenom manje skupih materijala, mCHP sustavi s PEMFC (< 10kWel ) s korištenjem otpadne topline postaju optimalan izbor za nadomještanje energetskih potreba kućanstva u vrlo bliskoj budućnosti.
Po uzoru na japanska postignuća, osnovana je jedinstvena europska neprofitna organizacija NEW-IG javno-privatnog partnerstva kao poveznica između Europske komisije (European Commission) i istraživačkog/ proizvodnog centra za tehnologije vodika i gorivnih
članaka (FC&H2 Industry and Research Community) s ciljem neposredne primjene istraživačko-demonstracijskih programa (R&D) kako bi dosegli plasman na tržište ostvaren u
Japanu. Do kraja 2015. planirana je demonstracija više od 1000 stambenih mCHP jedinica pogonjenih H2 ili prirodnim plinom / bioplinom u 20 europskih gradova i više od 50.000 uređaja do 2020.
Na osnovu dosadašnjih rezultata pre-normativnog istraživanja i razvojnih spoznaja treba poraditi na standardizaciji H2 tehnologije uvođenjem jedinstvene zakonske regulative unutar Europske Unije kojom bi se osigurali propisi za proizvodnju, transport i primjenu vodika i vodikovih energetskih tehnologija.
