Systemy bezprzerwowego zasilania z ogniwem paliwowym PULSTAR

Bartłomiej Kras, APS Energia sp.zoo. ul.Drewnicka 5, Ząbki k/Warszawy. Tel. [phone]

WSTĘP

Obecnie ochrona zasobów energii i utrzymanie ich na odpowiednim poziomie stają się coraz ważniejszymi kwestiami. Każdego dnia spalamy taką ilość węgla, do której wytworzenia niezbędne jest 10 tysięcy lat. Zapotrzebowanie na energię elektryczną rośnie. Zasoby oleju mineralnego i gazu ziemnego mogą zostać wyczerpane w ciągu naszego życia a już teraz podnoszą się głosy chemików o nadchodzącej nowej rewolucji materiałowej i zupełnie innego wykorzystywania węgla. Rozwiązaniem tego problemu jest ochrona energii i wykorzystanie odpowiednich jej źródeł. Wodór przez reakcje nuklearne we wnętrzu Słońca zapewnia naszej planecie energię potrzebną do podtrzymania życia. Możliwe, że wodór jako nowe źródło energii elektrycznej pomoże ludziom rozwijać się gwałtownie dalej i umożliwi uniknięcie dalszego marnowania cennych zasobów naturalnych oraz uniknięcia niebezpieczeństwa niestabilności atmosfery oraz zanieczyszczenia lądów, wód i powietrza.

GENEZA OGNIW PALIWOWYCH

Urządzeniem zamieniającym bezpośrednio paliwo wodorowe na energię elektryczną jest ogniwo paliwowe. Odkryte już w XIX wieku przez brytyjskiego prawnika Williama Grove'a ogniwo gazowe jak nazwał je wynalazca, musiało przebyć długą drogę rozwoju do pierwszych zastosowań praktycznych. W latach 50 ubiegłego wieku nową technologią zainteresowała się agencja kosmiczna NASA upatrując w ogniwach paliwowych idealne źródło zasilania w projektowanych właśnie pojazdach kosmicznych.

Ogniwo paliwowe typu PEM zasilane jest wodorem oraz tlenem pobieranym z powietrza atmosferycznego. Wodór trafia na anodę wywołując reakcję chemiczną. Katalizator “wyrywa” z gazu elektrony a dodatnio naładowane jony przejmuje membrana polimerowa. Obojętny elektrycznie tlen doprowadzany do katody przechwytuje swobodne elektrony powodując przepływ prądu stałego. Ujemnie naładowane jony tlenu reagują w membranie z protonami i wytwarzana jest cząsteczka wody. Reakcje te są egzotermiczne, więc jedynymi produktami ubocznymi w procesie wytwarzania prądu są czysta woda i ciepło (rys.1)

Rys. 1. Zasada działania ogniwa

Zasadniczą przewagą ogniw paliwowych w stosunku do tradycyjnych form wytwarzanie energii elektrycznej jest całkowity brak toksycznych odpadów i spalin. Jeżeli potraktujemy ogniwo paliwowe jak czarną skrzynkę do z jednej strony doprowadzamy paliwo wodorowe i powietrze, otrzymujemy czystą wodę nadającą się do użytku i ciepło (rys 2.).

Rys. 2. Ogniwo paliwowe o mocy 10kW.

Głównym źródłem paliwa jest wodór, którego zastosowanie jest tanie i najbardziej ekologiczne. Wodór przechowywany jest obecnie w butlach lub zbiornikach pod wysokim ciśnieniem i poprzez reduktory dostarczany do ogniwa. Najnowsze technologie bezpiecznego przechowywania wodoru polegają na uwięzieniu cząsteczek gazu w specjalnym pojemniku wypełnionym wodorkami metalu. Stałe wodorki metalu są w stanie zgromadzić nawet do 3300 Wh/l energii. Dla porównania klasyczny akumulator ołowiowo-kwasowy osiąga gęstość energii rzędu 80 Wh/l.

PROBLEMY BEZAWARYJNEGO ZASILANIA Z AKUMULATORAMI KLASYCZNYMI I VRLA

W wielu zastosowaniach przemysłowych istnieje zasadniczy problem w bezprzerwowej dostawie energii elektrycznej do urządzeń zarówno prądu zmiennego jak i stałego. Aby zabezpieczyć urządzenia odbiorcze przed skutkiem przerwy w zasilaniu obecnie stosuje się baterie akumulatorów zainstalowane w systemach typu UPS.

Klasyczne akumulatory kwasowe użytkowane od wielu lat w energetyce wymuszają stosowanie specjalnych pomieszczeń o określonych parametrach budowlanych spełniających surowe normy. Wymagają ciągłych inspekcji, uzupełniania elektrolitu i wody oraz są niebezpieczne w użytkowaniu (możliwość wycieku kwasów). W celu wyeliminowania tych problemów producenci wprowadzili kilka lat temu akumulatory tzw. bezobsługowe i szczelne wykonane najczęściej w technologii VRLA. Zapewniali użytkowników, że problemy pewnego zasilania są raz na zawsze rozwiązane. Jednak kilkuletnia eksploatacja akumulatorów bezobsługowych w energetyce pokazała, że koszty z tym związane są bardzo wysokie. Akumulatory VRLA wymagają bardzo specjalizowanych i drogich prostowników oraz nie są pozbawione większości wad akumulatorów klasycznych. Wymagają okresowych przeładowań i nie są szczelne jak zapewniają ulotki producentów. Do najważniejszych wad akumulatorów typu VRLA należy jednak krótki czas życia w porównaniu z akumulatorami klasycznymi. Wiąże się to z ich okresową bardzo kosztowną wymianą.

Główną wadą stosowania akumulatorów jest brak pewności, co do ilości zmagazynowanej w nich energii i aktualnego stanu baterii. Potwierdzają to liczne sytuacje awaryjne, w których określona bateria nie zapewniała bezpieczeństwa zasilania i zadziałania zabezpieczeń pomimo prawidłowych założeń projektowych.

Dodatkowym problemem jest zapewnienie zasilania awaryjnego w przypadku dłuższej awarii. Obecnie stosuje się na świecie do tego celu agregaty prądotwórcze, głównie z silnikami Diesla. Agregaty prądotwórcze są urządzeniami wymagającymi dozoru oraz częstych przeglądów i wymiany materiałów eksploatacyjnych. Są duże i ciężkie oraz produkują spaliny zanieczyszczające środowisko. Wymagają również precyzyjnej lokalizacji ze względu na bardzo duży hałas i drgania podczas pracy. W dobie rosnących cen paliw agregaty prądotwórcze stają się coraz droższym źródłem niezawodnej energii. Obecnie klasyczny system zasilania bezprzerwowego składa się z UPS-a wraz z akumulatorami oraz agregatu prądotwórczego, zwykle o większej mocy. Rozwiązanie to jest bardzo kosztowne i wymaga zwykle sporych inwestycji dodatkowych.

WODOROWY SYSTEM AWARYJNEGO ZASILANIA PULSTAR Z OGNIWEM PALIWOWYM TYPU PEM

Przy współpracy z Politechniką Warszawską w firmie APS Energia powstał pierwszy w Polsce kompletny wodorowy system zasilania awaryjnego PULSAR (rys 3). System eliminuje wszystkie wady klasycznych układów zasilania awaryjnego takie jak problemy z akumulatorami i agregatem prądotwórczym oraz niepewność, co do ilości zgromadzonej energii. Może zasilać odbiory zmiennoprądowe jak i stałoprądowe.

Rys.3 Zdjęcie systemu PULSTAR z ogniwem paliwowym

System składaj się z ogniwa paliwowego jako głównego źródła energii w przypadku pracy awaryjnej, zestawu nowoczesnych przetwornic energoelektronicznych oraz baterii superkondensatorów dla zapewnienia krótkotrwałych dostaw energii i dynamicznych przeciążeń. (rys 4).

a)

b)

Rys. 4. Konfiguracje systemu PULSTAR dla odbiorników a) stało- i b) zmiennoprądowych

System standardowo zasilany jest czystym wodorem dostarczanym w butlach lub zbiornikach, ale istnieje opcja wyposażenia układu w procesor paliwowy umożliwiający zasilanie metanolem.

Nad pracą całego ogniwa paliwowego i systemu dystrybucji paliwa czuwa mikroprocesorowy system nadzoru, który steruje pracą całego układu zasilania i dba o bezpieczeństwo systemu. Układ nadzoru wyposażony jest w możliwość zdalnej komunikacji z użytkownikiem (np. poprzez linię GSM) w celu bieżącej kontroli stanu systemu i poziomu paliwa w zbiornikach. Układ zasilania w wodór oparty jest o automatyczną stacje rozprężania, montowaną przy butlach i umożliwiającą zdalną pracę butli i pełną ich kontrolę.

Rys. 5. Superkondensator o pojemności 1400F

W celu zabezpieczenia zasilania podczas startu ogniwa oraz do zapewnienia selektywności zabezpieczeń zastosowano krótkotrwały magazyn energii w postaci superkondensatora (rys.5). Element ten magazynuje duże ilości energii elektrycznej podobnie jak akumulator, ale jest elementem niewymagającym żadnej obsługi i jego czas pracy jest określany na ponad 500.000 cykli. Nie wymaga również, w przeciwieństwie do baterii chemicznych kosztownego recyklingu. W systemie PULSTAR może być zastosowana również mała klasyczna bateria chemiczna.

System zasilania jest budowany w oparciu o moduły i może być swobodnie dopasowany do wymagań potencjalnego użytkownika ze względu na zainstalowaną moc jak i na rodzaj zasilania i rezerwowanych odbiorów.

PULSTAR znakomicie nadaje się również do zasilania aplikacji wyspowych, a więc przy całkowitym braku sieci zawodowej. Przykładowymi zastosowaniami mogą być wyniesione stacje telekomunikacyjne lub przenośne systemy zasilania. W opcji można wyposażyć taki układ w dodatkowe odnawialne źródła energii takie jak turbina wiatrowa czy ogniwa fotowoltaiczne (rys. 6.)

Rys.6 Schemat systemu PULSTAR w instalacji wyspowej z dodatkowymi źródłami odnawialnymi

ERA WODORU

Niewątpliwie czeka nas era wodoru, urządzenia wykorzystujące to źródło energii staną się w przyszłości dominującymi. Już dzisiaj koncerny samochodowe wprowadzają do sprzedaży pierwsze pojazdy wyposażone w ogniwa paliwowe, niedługo wszystkie aparaty komórkowe i laptopy będą posiadały baterie złożone z ogniw paliwowych. Istotnym argumentem staje się powoli cena tych urządzeń, już obecnie konkurencyjnych do klasycznych systemów awaryjnych.

LITERATURA

1. Dmowski, Biczel, Kras „Hybrid Solar -Wind - Fuel Cell Clean Energy System With New Type Of Parallel Regulator”, NorthSun 2001 Conference, 6-8.05.2001, Leiden, Holandia

2. Dmowski, Biczel, Kras “Stand-alone telecom power system supplied by PEM fuel cell and renewable sources” International Fuel Cell Workshop 2001, 12-13.11.2001 Kofu, Japan

3. Dmowski, Biczel, Kras „Czy ogniwa paliwowe staną się przyszłością elektroenergetyki”, UPS 2001-Nowe podejście do zasilania awaryjnego, Jachranka k/Warszawy 19-21 listopad 2001, nr ISSN 0138.0826

4 . Styczyński Z. “Ogniwa paliwowe. Przyszłość zasilania?” Wiosenna Szkoła Fundacji Steinbeisa”, Odnawialne źródła energii XXI wieku” Magdeburg, 23-24 kwiecień 2001, Niemcy

5. Dmowski, Kras „Fuel Cell Control System And Power Converters” Elektrische Energiewandlugssysteme, Magdeburg, maj 2002, Niemcy

---