ZAGORO MOJA
Ante Tešija
Povratak u budućnost 2. dio
Domina Cikatić Šanić
Istovremena proizvodnja električne energije i topline u kućanstvima tzv. mikrokogeneracija s gorivnim člancima
U posljednjih nekoliko godina došlo je do značajnog porasta novih tehnologija manje snage za decentraliziranu proizvodnju električne energije (eng. Distributed Generation, DG). Trenutno najzanimljivija tehnologija za istovremenu proizvodnju el. energije i topline za potrebe kućanstava je kogeneracijska tehnologija s vodikovim gorivnim člancima. Mala postrojenja za pretvorbu energije s gorivnim člancima mogu nadomještati različite energetske potrebe za električnom i toplinskom energijom domaćinstva, s velikim potencijalom za uštedu primarne energije, visokom pouzdanosti, tihim radom i gotovo bez emisije štetnih plinova. Među različitim vrstama gorivnih članaka, membranski gorivni članci (engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells PEMFC) trenutno prolaze kroz najbržu fazu razvoja, u odnosu na ostale vrste gorivnih članaka za male stacionirane energetske kogeneracijske sustave, zbog svoje niže radne temperature (< 85°C), visoke ukupne učinkovitosti (≈ 90%) i brzog pokretanja.
Mali kombinirani sustav za proizvodnju električne i toplinske energije (engl. Micro Combined Heat and Power, mCHP), također poznat kao mikrokogeneracija, na temelju tehnologije gorivnog članka, kontinuirano i neposredno pretvara energiju kemijske reakcije u električnu energiju, toplinu i vodu. Otpadna toplina iz članaka se regenerira i koristi za grijanje potrošne tople vode (PTV) u domaćinstvu, dok se proizvedena el. energija koristiti za napajanje električnih uređaja. Zbog bolje pohrane toplinske energije, sustavu može biti dodan i toplinski spremnik (TS).
Princip rada je jednostavan- umjesto potrošnje sveukupnog goriva za potrebe grijanja objekta, dio se koristi i za proizvodnju električne energije. Proizvedena električna energija se može koristiti za podmirenje električnih zahtjeva objekta, ili se može uz dozvolu distributera el. energije prodavati (vraćati) natrag u mrežu. Na ovakav način mCHP jedinica prati toplinsko opterećenje, jer instalirano mCHP postrojenje daje upravo onoliko topline koliko je potrebno za zadovoljavanje ukupne toplinske potrošnje objekta. Pritom se eventualni višak proizvedene električne energije isporučuje (prodaje) u mrežu, dok se eventualni manjak električne energije uzima (kupuje) iz mreže. To znači da postrojenje treba biti dimenzionirano tako da se sva proizvedena toplina iskoristi, te da ono pokriva najveći dio toplinskih potreba zgrade. U slučaju vršnog toplinskog opterećenja, kada bi potreba za toplinom bila veća od kapaciteta postrojenja uključivao bi se kotao klasičnog tipa koji bi onda zadovoljavao vršne potrebe za toplinskom energijom pretežno u zimskim mjesecima. Postrojenje može biti paralelno spojeno na električnu mrežu te isporučivati odnosno uzimati električnu energiju u slučaju viška, odnosno manjka električne energije.
Usprkos ubrzanom razvoju tehnologije stacioniranih niskotemperaturnih gorivnih članaka, ostaje problem učinkovite proizvodnje, distribucije i pohrane vodika. Jedno od dostupnih komercijalnih rješenja je postupak reformacije prirodnog plina u H2, pri čemu se proizvodnja H2 oslanja na postojeću infrastrukturu prirodnog plina. Prirodni plin je fosilno gorivo koje se najvećim dijelom (85%-95%) sastoji od metana CH4koji je najjednostavniji ugljikovodik bez mirisa i okusa. Preostali udio (5%-15%) su složeniji ugljikovodici, dušik i ugljikov dioksid (CO2). Vodik se može dobiti standardnim načinom, vanjskom tehnikom parne reformacije metana. U novije vrijeme su razvijeni postupci koji uključuju internu reformaciju H2 koja se odvija u FC procesoru/ reformeru. Različiti proizvođači mCHP opreme bazirane na gorivnim člancima ponudili su tržištu uređaje koji koriste PEMFC ili visokotemperaturne SOFC (engl. Solid Oxid Fuel Cell) gorivne članke na prirodni plin, ukapljeni naftni plin ili bioplin. Vodeći proizvođači opreme dolaze iz Japana, US, Kanade, dok je lider europske tehnologije Njemačka.
U Njemačkoj je u ljeto/ jesen 2008. pokrenut program stacioniranih gorivnih članaka , nazvan ” Callux “, čija je prva faza dovršena krajem 2012. Konzorcijem je obuhvaćeno nekoliko elektrodistribucijskih tvtki (EnBW, E.ON, EWE ENERGIE, MVV Energie, VNG) i tvrtki proizvođača gorivnih članaka (Baxi , Hexis i Vaillant) s PEM i SOFC tehnologijom (1 kWel).Koordinator projekta je Centar za sunčevu energiju i istraživanja vodika (ZSW). Do sada je instalirano više od 560 kogeneracijskih uređaja na gorivne članke čiji se rad pratio do kraja 2015. Cijena uređaja 3. generacije obuhvaćene projektom je za 60% manja od cijene 1. generacije. Troškovi servisiranja i zamjene dijelova su smanjeni za 90% u odnosu na iste s početka projekta. Znatno je poboljšana pouzdanost gorivnog svežnja i trajnost komponenti reformera, dok je pouzdanost sustava povećana na > 97%. (od 8. 2008. do 6.2011.). Električna učinkovitost je porasla s 28.8% prve generacije na > 33% uređaja 3. generacije, dok je ukupna učinkovitost porasla s 84.9% na > 96%. Došlo je do značajnog smanjenja dimenzija i težine uređaja (do 50%), stoga se današnji uređaji lako uklapaju u arhitektonske zahtjeve zgrade. Dokazano su manje emisije štetnih plinova, a i buka je neznatna. Značajna prilagodba zahtjevima potrošača dovela je do produljenja operativnog vremena na godišnjoj razini. U dvogodišnjim terenskim ispitivanjima, osim dokazanog povećanja vrijednosti HPR (omjer grijanje /snaga), potvrđen je rad gorivnog svežnja od cca. 10.000 sati uz smanjenje kvarova u radu svežnja na < 0,2% na 1000 sati.
ENE-FARM je zajedničko ime mCHP sustava proizvedenih u Japanu. Od pet početnih proizvođača navedenih na Sl. 3., Ebara je raskinula partnerstvo s Ballardom zbog posljedica recesije u 2008/09., a Toyota se vratila automobilskoj industriji. Pretprošle godine japanski proizvođači su uveli prve automatizirane proizvodne linije mCHP uređaja, što se smatra dugo očekivanim prijelazom na masovnu proizvodnju. S više od 3000 mCHP uređaja instaliranih u japanskim domaćinstvima i očekivanim udvostručenjem godišnje prodaje, komercijalizacija gorivnih članaka je započela. Japanski mCHP uređaji se temelje na PEM gorivnim člancima el. snage od 0,7 do 1.0 kW i toplinskog kapaciteta od 0.9 do1.4 kW s integriranim procesorom goriva prirodnog plina, ukapljenog naftnog plina ili kerozina, te spremnika tople vode (s integriranim bojlerom).
Sl.3. mCHP sustavi na gorivne članke sa spremnicima PTV, početnih pet ENE-FARM proizvođača
Tipične dimenzije sustava su 0.9 x 0.9 x 0.3m za jedinicu gorivnih članaka (105kg), a 1.9 x 0.75 x 0.45 m za sustave sa spremnikom i reformerom goriva (305 kg kada je pun).
Pravci razvoja mCHP postrojenja s gorivnim člancima uključuju povećanje stupnja električne iskoristivosti na 45%, kao i porast ukupne učinkovitosti mCHP sustava na 97% do 2020. god. Nadalje, očekuje se veća iskoristivost otpadne topline, poboljšanje performansi internog reformera goriva, produljenje trajnosti sustava na 60000 sati u 2020. ispitivanjem i primjenom novih tehnoloških materijala, čime se smanjuju troškovi opreme, kao i troškovi cjelokupnog postrojenja.
Zbog navedenih karakteristika gorivni članci su svakako najatraktivnija nadolazeća tehnologija koja će omogućiti efikasniju decentralizaciju proizvodnje električne energije i mCHP visokih performansi u svakodnevnom okruženju. Nadalje, za potrebe neovisnog energetskog sustava kućanstava (vikendice, kuće za odmor i sl.) vodik je moguće proizvoditi u elektrolizatoru postupkom elektrolize vode. El. energija potrebna za napajanje elektrolizatora dobiva se iz energije sunca ili vjetra. Više o tome u idućoj kolumni.
