Stacjonarne ogniwa paliwowe zasilane

Stacjonarne ogniwa paliwowe zasilane

gazem ziemnym

gazem ziemnym

–

–

stan aktualny

stan aktualny

i perspektywy

i perspektywy

Stacjonarne ogniwo paliwowe

Stacjonarne ogniwo paliwowe

1) ogniwo paliwowe wysokotemperaturowe
2) ogniwo paliwowe niskotemperaturowe

100 kW

1 MW

10 MW

100 MW

moc elektryczna

stopie

ń spra

wno

ści

ele

kt

ry

czne

j (%)

1 GW

0

20

60

40

Elektrownie zawodowe

elektrownie
gazowo-parowe

70

10 kW

1 kW

turbiny gazowe

silniki gazowe

ogniwo palliwowe

1)

ogniwo palliwowe

2)

Generacja rozproszona

SOFC/GT

Stopień sprawności elektrycznej układów

Stopień sprawności elektrycznej układów

skojarzonych na bazie gazu ziemnego

skojarzonych na bazie gazu ziemnego

Kryteria i podział ogniw paliwowych (FC)

Kryteria i podział ogniw paliwowych (FC)

!

Ze względu na rodzaj zastosowanego elektrolitu

(podstawowe typy):

–

zasada (AFC),

–

stopiony węglan (MCFC),

–

kwas fosforowy (PAFC),

–

membrana wymiany protonów (PEMFC),

–

stały tlenek (SOFC).

!

Ze względu na temperaturę pracy:

–

niskotemperaturowe, (25–100)°C,

–

ś

redniotemperaturowe, (100–500)°C,

–

wysokotemperaturowe, (500–1000)°C,

–

szczególnie wysokotemperaturowe, >1000°C.

Kryteria i podział ogniw paliwowych

Kryteria i podział ogniw paliwowych

!

Ze względu na sposób wykorzystania:

–

mobilne,

–

stacjonarne.

!

Ze względu na zakres mocy:

–

AFC 0,5–100 kW (mobilne i stacjonarne)

–

MCFC od 300 kW do 2 MW (stacjonarne)

–

PAFC od 20 kW do 2 MW (stacjonarne)

–

PEMFC od 1 W do 300 kW (mobilne i stacjonarne)

–

SOFC od 2 kW do 20 MW (mobilne i stacjonarne)

Mobilne i stacjonarne zastosowania

Mobilne i stacjonarne zastosowania

różnych typów ogniw paliwowych

różnych typów ogniw paliwowych

AFC

PEMFC

PAFC

MCFC

SOFC

Temperatura pracy

(°C)

70-220

70-120

150-220

600-700

600-1000

Elektrolit

Zasada potasowa

Membrana

polimerowa

Stężony kwas

fosforowy

Stopiony węglan

Li/K

Ceramika tlenkowa

Paliwa

Czysty wodór

Wodór, reformowany

metanol

Wodór, gaz ziemny Wodór, gaz ziemny Wodór, gaz ziemny

Zakres mocy

do 5 kW

do 250 kW

do 1 MW

do 2 MW

do 10 MW

Zastosowania

Aeronautyka, łodzie

podwodne

Urządzenia

przenośne, transport,

układy awaryjnego

zasilania, układy

kogeneracyjne

Małe elektrownie,

układy awaryjnego

zasilania, układy

kogeneracyjne

Elektrownie

Elektrownie, układy

awaryjnego zasila-

nia, układy kogen.

Sprawność el. (Cel)

40-60

35(45)

42

47(60)

47(65)

Typy ogniw

Typy ogniw

paliwowcyh

paliwowcyh

Zasada działania ogniwa paliwowego

Zasada działania ogniwa paliwowego

Zasada działania ogniwa paliwowego

Zasada działania ogniwa paliwowego

Zasada działania ogniwa paliwowego

Zasada działania ogniwa paliwowego

Produkcja wodoru

Produkcja wodoru

–

–

stan aktualny

stan aktualny

!

Aktualny wolumen produkcji — 50 milionów ton

!

Z jakich surowców otrzymujemy wodór?

Ś

redni koszt uzyskania wodoru różnymi

Ś

redni koszt uzyskania wodoru różnymi

metodami

metodami

*Przy założeniu sprawności procesów: Gaz ziemny 86%, Węgiel 66%, Biomasa 65%, Elektroliza 82%

Bowen, D., 2003
DOE Hydrogen and
Fuel Cells Merit,
Berkeley, California.

Stiegel, G.J., 2000.
National Energy
Technology
Laboratory,
Hydrogen Workshop.

Williams, R., 2003.
Workshop on Future
Energy Issues –
Future Energy
Resources, National
Defense University,
Washington.

Spath, P., Lane, J.,
Mann, M., Amos, W.,
2001. Determination
of the Delivered Cost
of Hydrogen”
Milestone Report for
the U.S. Department
of Energy’s Hydrogen
Program.

Kirk-Othmer. 1995.
“Hydrogen,” in
Encyclopedia of
Chemical
Technology, 4th
edition, Vol. 13, John
Wiley & Sons, New
York.

Produkcja wodoru z gazu ziemnego

Produkcja wodoru z gazu ziemnego

!

Technologie dojrzałe (w pełni skomercjalizowane) w
oparciu o reakcje:

–

częściowego utleniania (półspalania) (POX):

–

reformingu parą wodną (SMR):

–

gazu wodnego:

o

4

2

2

298

CH + 1/2 O

2 H + CO H

36 kJ/mol

→

∆

= −

o

4

2

2

298

CH + H O

3 H + CO H

206 kJ/mol

→

∆

=

o

2

2

2

298

CO + H O

H + CO H

41 kJ/mol

→

∆

= −

Produkcja wodoru z gazu ziemnego

Produkcja wodoru z gazu ziemnego

–

reformingu autotermicznego (ATR) — kombinacja POX i
SMR:

!

Inne reakcje, np.:

–

suchy reforming (DMR):

–

kombinacja DMR z procesem SMR (CMR):

(

) (

)

(

)

4

2

2

2

o

2

2

2

298

CH + O

78.09 / 20.91N +

2 H O

4 2 H + CO +78.09 / 20.91 N H

0 kJ/mol

n

n

n

n

n

+

−

→

→ −

∆

=

4

2

2

CH + CO

2 H +2 CO

→

4

2

2

2

2 CH + CO + H O

5H + 3 CO

→

Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe

–

–

wymagania w zakresie

wymagania w zakresie

składu i zanieczyszczeń paliwa

składu i zanieczyszczeń paliwa

Paliwo

Obojętny

Obojętny

Paliwo

CH

4

<1 ppm H

2

S

<200 ppm

<50 ppm H

2

S

0,1-0,5 ppm H

2

S

Siarka

Paliwo

<10ppm

<10 ppm

<15 ppm

CO

Paliwo

Paliwo

Paliwo

Paliwo

H

2

SOFC

PEMFC

PAFC

MCFC

Typ

ogniwa/

Składnik

PEM

SOFC

1990

1995

2000

PAFC

MCFC

2005

Rozwój wybranych technologii ogniw

Rozwój wybranych technologii ogniw

paliwowych

paliwowych

Przykład prognozy rozwoju technologii

Przykład prognozy rozwoju technologii

BP, 2000 rok

BP, 2000 rok

program SECA (

program SECA (

Solid State Energy

Solid State Energy

Conversion Alliance

Conversion Alliance

), USA

), USA

!

Rozpoczęty w 2001 roku, koordynowany przez
U.S. Department of Energy (DOE) - Departament
Energetyki USA.

!

Cel: opracowanie technologii ogniw paliwowych
SOFC, których masowe zastosowanie pozwoliłoby
zmniejszyć uzależnienie USA od importowanej
ropy i złagodzić obciążenie środowiska naturalnego

!

Obliczony na 10 lat i podzielony na trzy etapy:

program SECA

program SECA

!

Etap I zakłada osi

ą

gni

ę

cie czterech kluczowych celów w

zakresie wydajno

ś

ci oraz kosztów*:

–

Moc szczytowa w przedziale 3 - 10 kW.

–

Sprawność szczytowa - minimum 35%

–

Spadek mocy – maksimum 4 procent na 1000 godzin pracy.

–

Koszty wytwarzania - maksimum 800 USD na 1 kW łącznej mocy

urządzenia przy masowej produkcji.

!

Etap II Koszty wytwarzania - maksimum 600 USD/kW

!

Etap III Koszty wytwarzania - maksimum 400 USD/kW

* Cele I etapu osiągnęły zespoły badawczo-rozwojowe: GE

(styczeń 2006), Delphi/ Battelle (maj 2006), FuelCell Energy,

Inc. (październik 2006), Siemens Power Generation (listopad

2006).

Inicjatywa ogniwo paliwowe

Inicjatywa ogniwo paliwowe

-

-

Niemcy

Niemcy

!

Wspólna inicjatywa 4 spółek/operatorów gazowniczych:
EWE AG (Oldenburg), MVV Energie AG (Mannheim),
Ruhrgas AG (Essen) i VNG — Verbundnetz Gas
Aktiengesellschaft (Leipzig).

!

Cel:

–

prowadzenie prac rozwojowych nad stacjonarnymi ogniwami
paliwowymi dla gospodarstw domowych w kierunku osiągnięcia ich
technicznej dojrzałości oraz konkurencyjności.

–

Koordynacja działań producentów (Hexis, Buderus, Vaillant),
dostawców energii oraz instytutów naukowych. Program zawiera
transfer technologii, badania poligonowe, projekty demonstracyjne.

Hexis

EWE

Instytuty, uczelnie

Polityka

Normalizacja

Vaillant

Buderus

E.ON

RG

VNG

zakłady
gazownicze
i operatorzy

ZVSHK

MVV

„Inicjatywa ogniwo paliwowe”

„Inicjatywa ogniwo paliwowe”

-

-

Niemcy

Niemcy

Norma / dopuszczenie

Przygotowanie serwisu

Marketing / przygotowywanie rynku

Urządzenia laborato
ryjne i pierwsze te-
renowe (

PEM, SOFC)

Projekty demonstracyjne

testy modeli prototypowych

Wprowadzenie na

rynek

2001

2003

2006

„Inicjatywa ogniwo paliwowe”

„Inicjatywa ogniwo paliwowe”

-

-

Niemcy

Niemcy

2009

Ogniwo paliwowe

Ogniwo paliwowe

-

-

reklama RWE

reklama RWE

Vaillant

(PEMFC)

Hexis (d.Sulzer)

(SOFC)

Stopień sprawności elektrycznej ~ 40 %

HGC / Dais-Analytic

(PEMFC)

”

”

Household power systems

Household power systems

”

”

-

-

ogniwa

ogniwa

paliwowe dla gosp. domowych

paliwowe dla gosp. domowych

”

”

Virtual utility

Virtual utility

”

”

–

–

wirtualne przedsiębiorstwo

wirtualne przedsiębiorstwo

energetyczne

energetyczne

!

wirtualna elektrownia

Ogniwo PAFC 200

Ogniwo PAFC 200

kW

kW

UTC

UTC

Fuel Cells

Fuel Cells

Ogniwo MCFC 280kW MTU CFC

Ogniwo MCFC 280kW MTU CFC

Solusions

Solusions

Układ hybrydowy SOFC/TG 220

Układ hybrydowy SOFC/TG 220

kW

kW

Siemens Westinghouse

Siemens Westinghouse

G

S

T

Filtr

Powietrze

Ogniwo
SOFC

DC

AC

Rekuperator

/Podgrzewacz paliwa

Gaz ziemny

Odsiarczanie

Turbina gazowa

Ciepło
odpadowe

Falownik

Komora spalania
(dopalania)

Kocioł odzyskowy

Wnioski końcowe

Wnioski końcowe

!

Ogniwa paliwowe mog

ą

produkowa

ć

zarówno ciepło jak i

energi

ę

elektryczn

ą

. Niski poziom hałasu, niewielka emisja

zanieczyszcze

ń

oraz niewielkie gabaryty oznaczaj

ą

brak

przeszkód w ich sytuowaniu praktycznie w dowolnej

lokalizacji.

!

Wiele problemów technicznych energetyki opartej na

ogniwach paliwowych nie jest rozwi

ą

zanych w sposób

zadawalaj

ą

cy.

!

Post

ę

p w rozwoju technologii ogniw paliwowych b

ę

dzie

zale

ż

ał od wyników bada

ń

w wielu dyscyplinach naukowych,

takich jak in

ż

ynieria materiałowa, termodynamika,

mechanika płynów.