Wyobraź sobie nowy dom o powierzchni 120 m2. Zadbałeś o dobrą izolację i niskie zużycie prądu. Masz gaz ziemny w kotłowni. Myślisz także o oszczędności i zarabianiu na ogniwach fotowoltaicznych. A może połączyć te dwie funkcje? Ogniwo paliwowe umożliwi produkcję energii niezależnie od pogody, a wytworzone ciepło pokryje część potrzeb cieplnych.
Fot. 2. Vitovalor.
Ładowanie w terenie
Wspinasz się po górach, lubisz wypady za miasto, podróżujesz rowerem po bezdrożach, a może z przyjemnością wędkujesz w wolnym czasie? Lubisz ciszę i spokój, czasami jednak potrzebujesz skorzystać z telefonu. W terenie trudno o ładowanie, co wtedy? Teraz już nie ma sprawy!
Wyciągasz z plecaka przedmiot wielkości szamponu do włosów, ładujesz gazem do zapalniczki i spokojnie podpinasz kabel USB do smartfona. Rozpoczyna się produkcja prądu i ładowanie. Wytworzone ciepło oddawane jest do otoczenia. Tak działa e-zeleron, ładowarka do urządzeń przenośnych wykonana w technologii ogniwa paliwowego. I wszystko za kwotę niewiele większą niż 400 złotych.
A teraz wyobraź sobie nowy dom o powierzchni 120 m2. Zadbałeś o dobrą izolację i niskie zużycie prądu. Masz gaz ziemny w kotłowni. Myślisz także o oszczędności i zarabianiu na ogniwach fotowoltaicznych. A może połączyć te dwie funkcje? Ogniwo paliwowe umożliwi produkcję energii niezależnie od pogody, a wytworzone ciepło pokryje część potrzeb cieplnych.
Przyszłość…
Nad takim pytaniem zastanawiają się producenci i badacze, ale też przyszli użytkownicy. Pierwsze technologie, które świetnie sprawdziły się w branży kolejowej (węgiel i drewno), w kolejnej bardziej mobilnej branży – motoryzacji – poległy na całej linii. Samochody parowe lub napędzane holzgazem z początku XX wieku to dziś jedynie eksponaty muzealne.
Wykres 1 i 2. Sumaryczna energia z PV (źródło: sunnyportal).
Obecnie olbrzymim zainteresowaniem cieszy się wprowadzony w zeszłym roku do sprzedaży model samochodu Toyota Miraj, napędzany silnikiem elektrycznym, do którego prąd generuje ogniwo paliwowe, a z rury wydechowej kapie czyste H2O. Dziennikarze motoryzacyjni próbują to nawet pić!
A jak rysuje się przyszłe wykorzystanie ogniw paliwowych?
Zaryzykuję, że w jasnych barwach – będą się mocno rozwijać.
Dlaczego mogę tak bezkarnie przewidywać przyszłość? Naczytałem się w dzieciństwie książek Juliusza Verne’a czy korzystam z tego, że papier wszystko przyjmie? Nie, zauważam jedynie fakt, że wiele technologii przetwarzania jeszcze przed nami. Dopiero niedawno nauczyliśmy się wykorzystywać ciepło z reakcji nawilżania zeolitu w ogrzewaniu, a w bieżącym roku, dnia 29 lutego 2016 roku, w niemieckim Allendorfie otwarto pierwszą na świecie instalację Power-to-Gas, korzystającą z nadmiaru zielonego prądu w godzinach południowych, do metanizacji biologicznej gazu sieciowego, czyli produkcji CH4 przez bakterie i prąd.
W ten sam sposób rozwijają się możliwości pozyskiwania wodoru. Już samo uniezależnienie się od konieczności składowania H2 w czystej postaci spowodowało rozwój branży grzewczej w tym kierunku. Pomyślmy, jakie możliwości stworzy w przyszłości mała, niezależna od sieci czy magazynów, instalacja destylująca wodór lokalnie w naszym budynku z wody lub powietrza?
Zalety ogniw paliwowych
Główną zaletą wszelkich hybryd jest oczywiście ich ogromna elastyczność w dysponowaniu mocą, a ogniwa dodatkowo są pierwszym krokiem do całkowitej niezależności budynku. Na chwilę obecną dużą zachętę stanowią dla pierwszych kupujących generowanie energii skojarzonej i realne oszczędności.
* Sprawność
Relatywnie wysoka sprawność elektryczna (produkcji prądu), dzięki jego generowaniu w miejscu konsumpcji, nie mniejsza niż sprawność dużych układów opartych na elektrowniach lub elektrociepłowniach.
* Całoroczna praca
Prąd produkowany jest niezależnie od pogody i ilości słońca zarówno latem, jak i zimą.
A więc ma przewagę nad ogniwami fotowoltaicznymi.
Co ciekawe, mała instalacja fotowoltaiczna PV o mocy 2 kWp zamontowana w południowej Wielkopolsce jest w stanie dostarczyć rocznie ok. 2150 kWh energii elektrycznej, co stanowi około 50% potrzeb typowego małego budynku, natomiast ogniwo paliwowe o mocy 0,75 kWe, pracując cały rok w cyklu 20/7 (czyli po 20 godzin na dobę) wyprodukuje nawet do 5475 kWh, a więc pokryje sumarycznie ponad 100% potrzeb.
Wykres 3. Cykle pracy ogniwa Vitovalor.
* Pokrycie potrzeb c.w.u.
Dla ogniwa PEM o mocy 0,75 dzienna produkcja prądu wynosi 15 kWh, zaś ciepła 20 kWh. Przy współpracy z dużym zbiornikiem c.w.u. oraz/lub buforem grzewczym możliwe jest pokrycie 100% dziennych potrzeb ciepłej wody (dla 300 l c.w.u. i przy podgrzewie z 10 do 50oC = 13,92 kWh) i wykorzystanie reszty nadwyżek cieplnych do pokrycia 10-20% rocznych potrzeb grzewczych zależnie od wielkości bufora i technologii budynku.
Ograniczenia obecnej technologii
Ograniczeniem dla ogniw paliwowych jest dzisiaj ich mała moc oraz konieczność doprowadzenia wodoru lub gazów go zawierających.
Czy w ogniwie paliwowym mogę spalać czysty wodór H2, gaz płynny LPG i jego mieszanki lub biogaz z wysypiska? Na razie nie, wodór przez trudności z pozyskaniem i magazynowaniem, pozostałe gazy z powodu zanieczyszczeń. Urządzenia zostały tak zaprojektowane, że doskonale radzą sobie z czystym gazem ziemnym z miejskiej sieci (GZ-50) lub biogazem o jakości gazu ziemnego.
Pochodną małej mocy jest także warunek gromadzenia wygenerowanej w długim okresie czasu energii cieplnej bez wygaszania ogniwa – minimalny czas pracy urządzenia to np. 20 godzin/dzień.
* Koszty rocznych przeglądów
Koszty są bardzo wysokie, producenci podają je różnie: od 250 do 1000 EUR, niektórzy nie udostępniają tych danych, natomiast trzeba liczyć się nawet z kosztem 4000 PLN rocznie, co powoduje po 15 latach podwojenie pierwotnych kosztów zakupu!
* Ograniczenia techniczne
Niska zalecana temperatura powrotu na poziomie 35-40oC powoduje, że urządzenia tego typu dobrze będą współpracować z ogrzewaniem podłogowym i ściennym. Natomiast nadprodukcja ciepła podpowiada, że przed zamontowaniem trzeba rozważyć, w jaki sposób zagospodarujemy jego nadwyżkę – w niewielkim budynku pasywnym niskie zużycia ciepła i prądu nie pozwolą nam wiele zaoszczędzić. Przyszłością ogniw paliwowych będzie więc raczej modernizacja istniejących budynków ze starymi kotłami gazowymi.
Także stała praca i chwilowa nadpodaż energii elektrycznej wymusi na użytkowniku lepsze rozplanowanie włączania pralki, zmywarki i innych sprzętów AGD lub skłoni go do gromadzenia energii w akumulatorach proponowanych jako dodatkowo dostępna płatna opcja, np. dla PEM Vitovalor 300-P. W ostateczności możemy sprzedać nadwyżkę do sieci zewnętrznej po niższej cenie, rezygnując jednak z części potencjalnych oszczędności.
Co rynek proponuje dziś?
W poniższej tabeli możecie się Państwo zapoznać z proponowanymi obecnie na rynku EU urządzeniami i ich cenami w EUR i w przeliczeniu na PLN, oraz symulowane oszczędności w zakupie prądu elektrycznego dla stałej codziennej pracy ogniwa przez 20 godzin na dobę. W tabeli tej pokazano wszystkie dostępne obecnie parametry przeglądanych urządzeń.
Koszty zakupu i zwrot nakładów
Rynek ten rozwija się podobnie jak w przypadku aut napędzanych wodorem – tam, gdzie lokalne samorządy proponują dopłatę na zakup, a więc głównie u naszych zachodnich sąsiadów.
Za mniej niż 100 000 złotych otrzymujemy już urządzenie pozwalające nam oszczędzać corocznie w kosztach zakupu prądu (do wyliczeń przyjęto brutto 0,65 PLN/kWh) nawet do 3500 PLN. Przy inwestycjach w większe moce oszczędności rosną nawet o ponad 7000 PLN.
Znając przewidywane trwałości modułów, podawane przez producentów na 60 000-80 000 godzin i średni czas pracy na 7500 godzin/rok, nie osiągniemy przy obecnych cenach prądu elektrycznego nawet poziomu zwrotu poniesionych nakładów, ponieważ trwałość na dziś to 8-10 lat.
Do kosztów zakupu samego urządzenia należałoby jeszcze doliczyć koszty montażu. Czas zweryfikuje nasze przewidywania, dobrym bodźcem powinny stać się dopłaty. Niemcy wiedzą, jak zachęcić inwestorów nastawionych na ekologię i nowoczesność, proponując osobom chętnym do zakupu 2500 do 3500 EUR dotacji.
Wnioski
Analiza rynku oferowanych urządzeń z ogniwami narzuca wniosek, że warto poczekać na dalszy spadek cen. Kotły kondensacyjne osiągnęły już swój szczyt możliwości technicznych, ogniwa paliwowe znajdują się natomiast w fazie zaawansowanych testów i w fazie rozwoju, co jak zawsze generuje wysoką cenę.
Ogniwa jako układy hybrydowe w połączeniu z kotłami mogą stać się w ciągu kilku lat podstawowym źródłem w budynkach, proporcjonalnie do wzrastających cen prądu.
Czym skuszą inwestorów? Kocioł kondensacyjny lub pompa ciepła jedynie zużywają energię. Dla mądrych i oszczędnych Polaków urządzenie, które częściowo na siebie zarobi, warte jest rozważenia.
Szymon Czarkowski
Fot. 1. Totoya Miraj (źródło: toyota.pl).
