Temat referatu:

Układy wytwarzania energii elektrycznej z udziałem wodoru.

Wśród układów wytwarzania energii elektrycznej z udziałem wodoru można wyróżnić układy z turbinami gazowymi, generatorami MHD, ogniwami paliwowymi oraz układy wspomagające.

1. Układy z turbinami gazowymi.

1.1. Układ z turbiną typu „Hot - Shot” H₂/O₂.

Turbiny tego typu (rys. 1) mogą mieć zastosowanie jako turbiny szczytowe [1]. Jest to turbina, w której zachodzi spalanie wodoru i tlenu w czystej postaci. W przypadku turbiny H₂/O₂ temperatura w turbinie zależy od ciśnienia i dochodzi do blisko 3700 K przy ciśnieniu 70 bar. Temperatura ta jest wyższa o około 1000 K niż w przypadku spalania wodoru z powietrzem. Ponieważ przy trwałej pracy temperatury spalania byłyby za wysokie, stosuje się dodatkowe wstrzykiwanie pary wodnej; wówczas mieszanina wodoru, tlenu i pary wodnej przybiera temperaturę około 1650°C przy ciśnieniu 70 bar, konieczne jest odpowiednie chłodzenie i odpowiednia konstrukcja łopatek oraz zastosowanie odpowiednich materiałów wytrzymałych na wysokie temperatury. Do turbiny wysokotemperaturowej i wysokociśnieniowej dołącza się turbinę niskotemperaturową i niskociśnieniową, w której na 1 kg produktów spalin dodaje się 1,92 kg wody wstrzykiwanej, wówczas turbina niskotemperaturowa pracuje przy parametrach na wlocie: 8 bar oraz 530°C. Stopień pierwszy wytwarza wtedy 64 % mocy, a stopień drugi 36 % mocy. Moc 1000 MW wymaga 61700 m³/h wodoru i 30850 m³/h tlenu.

Rys. 1. Turbina „Hot - Shot” H₂/O₂

1.2. Lokomotywa turboelektryczna LH₂/LO₂.

Podobny typ turbiny można zastosować do napędu lokomotywy kolejowej. Przykład takiego rozwiązania ilustruje rys. 2 [1].

Rys. 2. Schemat lokomotywy turboelektrycznej LH₂/LO₂.

LH₂ oraz LO₂ pobiera się z odpowiednich zbiorników i doprowadza poprzez pompy do wymiennika ciepła, w którym następuje odparowanie gazów GH₂ i GO₂. Gazy te są następnie doprowadzane do komory spalania, która dostarcza mieszankę paliwo/tlen + wodę do turbiny gazowej GH₂/GO₂. Dzięki domieszce wody zapewnia się bezpieczną temperaturę pracy turbiny. Turbina napędza generator elektryczny zasilający z kolei napędowy silnik elektryczny.

Wadą tego systemu jest to, że trzeba wmontować w układ zbiornik ciekłego tlenu (LO₂) [1]. W tym systemie należy liczyć się z całkowitym zużyciem mieszanki o wysokości (0,544 ÷ 0,68 kg/(kWh)).

2. Układ z generatorem magnetohydrodynamicznym.

Generator magnetohydrodynamiczny może być zasilany wodorem i tlenem w stosunku objętości 2:1 przy ciśnieniu do 30 bar. Generator MHD może być zasilany z urządzenia termochemicznego na zasadzie rozkładu wody na wodór i tlen [1].

3. Układy z ogniwami paliwowymi.

Ogniwa paliwowe (rys. 3) są urządzeniami elektrochemicznymi, które przekształcają energię chemiczną paliwa bezpośrednio w energię elektryczną i ciepło. Są więc jak gdyby klasycznymi bateriami, w których jednak w sposób ciągły jest dostarczane paliwo do anody (elektrody ujemnej) oraz utleniacz (najczęściej powietrze) do katody (elektrody dodatniej). Paliwem może być bezpośrednio wodór lub też związek zawierający duże ilości tego pierwiastka, taki jak gaz ziemny, metanol itp.

Rys. 3. Budowa i zasada działania ogniwa paliwowego typu PEM.

Zastosowanie ogniw paliwowych może być bardzo szerokie. Swoją „karierę” rozpoczęły po zastosowaniu w lotach kosmicznych [1]. Stosowane były także w badaniach podmorskich oraz do zasilania głowic wiertniczych do wierceń głębinowych. Znane są konstrukcje pojazdów zasilanych przez ogniwa paliwowe oraz inne zastosowania, które były tematem jednego z referatów, dlatego nie będą omawiane.

Ogniwa wysokotemperaturowe osiągają dziś moc rzędu 250 kW i mają bezpośrednią możliwość zasilania gazem ziemnym. Ogniwa te znajdują zastosowanie jako systemy kogeneracyjne, a ich wadą są gabaryty i wysoka temperatura, która uniemożliwia instalację wewnątrz budynków. Rysunek 4 przed­stawia instalację pięciu generatorów firmy Inter­national Fuel Cells o mocy 200 kW każdy zasi­lający rejonowy urząd poczty USPS w Anchora­ge na Alasce.

Rys. 4. Układ pięciu generatorów firmy International Fuel Cells zasilający rejonowy urząd poczty (USPS) w Anchorage, Alaska.

W oparciu o ogniwa paliwowe, jako główne źródła energii w przypadku pracy awaryjnej, opracowano już kompletny system zasilania(rys. 5). System zawiera również nowoczesne przetwornice energoelektroniczne oraz baterie chemiczne dla zapewnienia krótkotrwałych dostaw energii i zapewnienia selektywności zabezpieczeń [4].

System standardowo zasilany jest czystym wodorem, dostarczanym w butlach lub zbiornikach, ale istnieje opcja wyposażenia układu w procesor paliwowy [4] umożliwiający zasilanie metanolem. Nad pracą całego ogniwa paliwowego i systemu dystrybucji paliwa czuwa mikroprocesorowy system nadzoru.

Rys. 5. System zasilania z ogniwem paliwowym.

System zasilania z ogniwem paliwowym nadaje się również do zastosowań wyspowych, a więc przy braku sieci zawodowej [4]. Układ ten można również wyposażyć w dodatkowe odnawialne źródło energii, takie jak turbina wiatrowa czy ogniwa fotowoltaiczne. Przykład takiego rozwiązania obrazuje rysunek 6 [5].

Rys. 6. Elektrownia słoneczna z ogniwem paliwo­wym.

System składa się z dwóch paneli fotowolta­icznych o mocy 110W, ogniwa paliwowego o mocy 50W firmy Heliocentris GmbH, baterii chemicznej, układu przetwarzania energii i układu sterowania. Układ ma zasilać odbiornik o mocy 40W.

W tym układzie zadaniem ogniwa paliwowe­go jest dostarczenie energii do odbiornika w okresie deficytu mocy pochodzącej ze słońca, głównie w okresie jesienno zimowym i nocą. W dalszej perspektywie zostanie dołączony elek­trolizer, którego zadaniem będzie przetworzenie nadwyżki energii słonecznej, występującej w okresie letnim, na wodór. Wodór ten zostanie wykorzystany do wytworzenie prądu w ogniwie paliwowym w okresach niedoboru energii.

3.1. Układ ogniw paliwowych PEFC zasilany gazem ziemnym.

Schemat elektrowni z ogniwami PEFC zasilanej gazem ziemnym pokazano na rysunku 7. W świetle wrażliwości ogniw PEFC na tlenek węgla, dwutlenek węgla i metan, przygotowanie paliwa w procesorze paliwowym jest znaczącą częścią obiegu. Paliwo, jakim jest gaz ziemny, doprowadzane jest do sprężarki i do instalacji oczyszczania (odsiarczania).

Rys. 7. Schemat elektrowni opartej na ogniwach paliwowych PEFC zasilanej gazem ziemnym

Oczyszczony gaz mieszany jest z wodą w parowniku, gdzie następuje odparowanie wody przy udziale ciepła odpadowego z reformera. Wilgotne paliwo jest reformowane w reformerze parowym. Ze względu na dużą zawartość tlenku węgla w zreformowanym paliwie, jest ono przesyłane do konwertora i utleniacza selektywnego w celu zredukowania zawartości tlenku węgla do 10-50 cząsteczek na milion. Paliwo bogate w wodór i jednocześnie ubogie w tlenek węgla jest dostarczane do stosu paliwowego PEFC, gdzie reaguje elektrochemicznie ze sprężonym powietrzem.

Powietrze z otoczenia sprężane jest w turbosprężarce doładowującej, zasilanej przez ekspansję gorących gazów wylotowych będących pod ciśnieniem. Po przejściu pierwszego stopnia sprężenia, powietrze jest chłodzone w chłodnicy międzystopniowej i dostarczane do drugiej turbosprężarki. Tak sprężone powietrze (będące pod dużym ciśnieniem) jest bezpośrednio kierowane do stosu PEFC. Strumień zużytego utleniacza opuszcza ogniwo, po czym separator wilgoci odbiera większą część wody, która jest następnie używana do nawilżania paliwa gazowego dostarczanego do reformera. Strumienie zużytego utleniacza i paliwa spalane są w komorze spalania reformera, dostarczając w ten sposób ciepła dla endotermicznej reakcji reformowania. Czynnik wylotowy z reformera ponadto dostarcza ciepło do parownika. Ciepło i ciśnienie strumienia wylotowego wykorzystywane są w turbodoładowarkach napędzających sprężarkę powietrza. Ogniwo paliwowe uwalnia ciepło, które może być wykorzystanie do centralnego ogrzewania powietrza lub podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

Ogniwo typu PEFC jest przewidziane do pracy w temperaturze około 80°C. Osiągi ogniw PEFC zasilanych powietrzem są w zakresie od 180 do 250 mW/cm². Ballard Power Systems wypróbował układ o mocy 250 kW.

4. Fotoelektryczna instalacja słoneczno-wodorowa.

W bawarskim mieście Neunburg vorm Wald wybudowano instalację słoneczno-wodorową, której celem jest produkcja energii na potrzeby elektrolizy wody oraz do rozprowadzania nadmiaru energii do sieci publicznej [2].

Dwie instalacje fotoelektryczne dostarczają prądu stałego dla potrzeb elektrolizy wody (otrzymywanie wodoru i tlenu) poprzez człony nastawnicze i szynę prądu stałego, służące do rozdziału energii elektrycznej. Szyna prądu stałego jest połączona przez falownik z szyną prądu przemiennego w celu powiązania z siecią publiczną miasta. W ten sposób przy częściowej pracy elektrolizerów nadmiar energii elektrycznej może być przekazany do sieci publicznej.

W generatorach fotoelektrycznych zastosowano dwie różne technologie ogniw słonecznych; w jednej - ogniwa z krzemu monokrystalicznego (mono Si), w drugiej - z krzemu polikrystalicznego (poli Si). Ogniwa są połączone szeregowo w moduły [2].

Tab. 1. Parametry techniczne modułu

	moduł mono Si	moduł poli Si
Typ	SM50	PQ10/40
Dostawca	Siemens-Solar	DASA
Liczba ogniw	36	40
Powierzchnia, m^2	0,451	0,5
Sprawność, %	11,1	8,8
Napięcie przy biegu jałowym, V	21,4	22,8
Prąd zwarcia, A	3,1	2,6
Napięcie przy mocy maksymalnej	17,3	18,3

W celu zwiekszenia napięcia moduły są łączone szeregowo w wiązki, przy czym wiązki są łączone w skrzyniach grupowych równolegle.

Generator fotoelektryczny mono Si jest podzielony na 3 identyczne generatory częściowe (pola częściowe) z członami nastawczymi o mocy 54 kW każdy.

Generator fotoelektryczny poli Si jest podzielony na 2 identyczne generatory częściowe (pola częściowe) z członami nastawczymi o mocy 70 kW każdy.

Tab. 2. Parametry generatorów fotoelektrycznych

	Generator mono Si	Generator poli Si
Liczba modułów w wiązce	14	13
Liczba wiązek w grupie	17	6
Liczba grup przypadająca na fotoelektryczne pole częściowe	4	19,5
Łączna moc modułów na fotoelektryczne pole częściowe, kW	47,6	66,9
Moc znamionowa pola częściowego, kW	45	65,6
Napięcie biegu jałowego pola częściowego, V	300	296
Prąd zwarcia pola częściowego, A	211	304
Liczba pól częściowych	3	2
Łączna moc modułów wszystkich pól częściowych, kW	276,2	276,6
Moc znamionowa wszystkich pól częściowych, kW	266,2	266,2

Dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne instalacji fotoelektrycznych są przeważnie pozytywne; wytrzymały one nawet ciężkie burze.

Intensywność napromieniowania, mierzona za pomocą pyranometru, przedstawia się różnie. W miejscowości Neunburg vorm Wald wynosiła o 40 do 1000 W/m². W 1991 r. uzyskano z generatora mono Si 1221 kWh/m², a z generatora poli Si 1209 kWh/m².

Współczynnik sprawności przy napromieniowaniu od 300 do 1000 W/m² dla generatora mono Si wynosi 10,5 %, a dla generatora poli Si - 8,5 %, zaś przy napromieniowaniu poniżej 300 W/m² współczynniki sprawności są niższe.

W 1991 r. obydwa generatory fotoelktryczne wyprodukowały 294 MWh energii elektrycznej.

5. Układ wspomagania konwencjonalnej elektrowni.

Układ wspomagania konwencjonalnej elektrowni w okresie szczytów energetycznych ilustruje rysunek 7.

Rys. 8. Schemat elektrowni parowej wspomaganej w szczycie przez wodorowo-tlenową wytwornicę pary.

Na rysunku 8 jest pokazany schemat konwencjonalnej elektrowni wyposażonej w wodorowo-tlenową wytwornicę pary umożliwiającą prawie natychmiastowy wzrost mocy turbozespołu o ok. 15 % w okresie szczytu energetycznego [3]. Rzeczywista wytwornica pary została zbudowana na bazie silnika rakietowego i jest zasilana gazowym wodorem oraz tlenem w proporcjach stechiometrycznych (H₂ + 0,5 O₂ ⇒ H₂O) i w czasie ok. 1s po uruchomieniu dostarcza strumień pary o temperaturze od 560 °C do 950 °C, ciśnieniu od 4 do 9 MPa i mocy cieplnej od 15 do 40 MW_t.

Literatura.

1. Nowacki P.J.: Wodór jako nowy nośnik energii. PAN, 1983.

2. Dietsch T.: Die Photovoltaik der Solar - Wasserstoft, Anlage in Neunburg vorm Wald. Streszczenie w języku polskim: W. Heller: Energetyka nr 11/1994, str 411 - 412 pt. Fotoelektryczna instalacja słoneczno-wodorowa w Neunburg vorm Wald (Bawaria).

3. Kabat M., Sobański R.: Sposoby pozyskiwania i wykorzystania wodoru jako paliwa.

4. Biczel P., Kras B., Semieniuk M.: Awaryjne zasilanie z ogniwem paliwowym. Elektroinfo nr 7, 2002, str. 38-40.

5. Dmowski A., Biczel P., Kras B.: Czy ogniwa paliwowe staną się przyszłością energetyki. Konferencja Naukowo Techniczna „Nowoczesne urządzenia zasilające w energetyce” Elektrownia „Kozienice” S. A. w Świerżach Górnych, 28-30 marca 2001.

NIEKONWENCJONALNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE

Układy wytwarzania energii elektrycznej z udziałem wodoru

-6-

komora spalania

H₂ O₂

turbina wysokoprężna

p = 70 [bar],

T = 2400 [°C]

p = 70 [bar],

T = 1650 [°C]

wtrysk: 1,92 kg (H₂O) i 1 kg propergolu

p = 70 [bar],

T = 260 [°C]

regenerator

H₂O

para użyteczna

turbina niskoprężna

p = 10 [bar],

T = 900 [°C]

p = 8 [bar],

T = 530 [°C]

H₂O upływ

P1

P2

p = 0,05 [bar],

T = 52 [°C]

wieża chłodnicza

kondensator

LO₂

LH₂

pojemniki

kriogeniczne

pompa

pompa

komora spalania

GO₂

GH₂

odprowadzenie

ciepła

turbina

G

M

generator

silnik napędowy

pompa

chłodzenie

H₂O

kondensator

regenerator

cyrkulacja

wody

O₂

H₂

G

Regulator

ciśnienia

Zasobniki

gazów

Tlen

Wodór

H₂/O₂ - wytwornica pary

Kocioł

para

Turbina

WP

SP

NP

Generator

Para

odlotowa

Skraplacz

Pompa kondensatu

Podgrzewacze

regeneracyjne

---