W chwili obecnej biogaz produkowany w instalacjach biogazowych najczęściej spalany jest w silnikach kogeneracyjnych, które pozwalają na produkcję energii elektrycznej i ciepła w skojarzeniu.

Inną metodą jego wykorzystania może być odpowiednie oczyszczenie i wtłoczenie do sieci gazu ziemnego. Jednakże w ostatnich latach trwają intensywne badania nad wykorzystaniem tego gazu w ogniwach paliwowych.

Zasada produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem ogniwa paliwowego odkryta została przez Ch. F. Schönbeina w 1838 roku. Jednak dopiero rok później (w 1839 roku) W. Grove zastosował efekt reakcji chemicznej wodoru i tlenu w praktyczny sposób w skali laboratoryjnej. Niestety wynalezienie w tym samym czasie prądnicy elektrycznej oraz silnika spalinowego, który napędzany był zdecydowanie łatwiej dostępnym i tańszym paliwem, wpłynęło na zatrzymanie prac badawczych nad rozwojem ogniw paliwowych. Dopiero na początku lat sześćdziesiątych XX wieku urządzenia te znalazły szersze zastosowanie, w szczególności w programach kosmicznych Apollo i Germini. Dodatkowo zawirowania na rynku ropy naftowej, które doprowadziły do globalnego kryzysu energetycznego, oraz pogarszający się stan środowiska naturalnego przyczyniły się do intensywnego rozwoju alternatywnych i ekologicznych źródeł energii. Takimi nośnikami energii mogą być wodór lub metan – wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej w ogniwach paliwowych.

Jak działają ogniwa paliwowe?

Ogniwo paliwowe (ang. fuel cell) jest urządzeniem, które pozwala na elektrochemiczną zamianę energii, w wyniku reakcji wodoru z tlenem, w energię elektryczną, ciepło i wodę. Samo urządzenie zbudowane jest z dwóch elektrod (anody i katody), między którymi znajduje się warstwa elektrolitu. W praktyce stosowane są różnego rodzaju elektrolity. W zależności od rodzaju i konstrukcji ogniwa paliwowego wykorzystuje się elektrolity w postaci płynnej lub stałej, które są przepuszczalne dla jonów, natomiast nieprzepuszczalne dla powstających na elektrodach elektronów.

Ogniwa-paliwowe---budowa--Kozlowski236rys2

Rys. 1. Budowa ogniwa paliwowego (www.fuelcell.no/index_pl).

Wodór cząsteczkowy (H2) podawany jest z zewnątrz do anody, natomiast tlen (O2) do katody. Atom wodoru, w wyniku reakcji zachodzącej z anodą, ulega jonizacji na jon wodorowy (H+) i wolny elektron (e-). Jon wodorowy przepływa przez elektrolit do katody, natomiast elektrony, ze względu na właściwości zaporowe elektrolitu, przepływają zewnętrznym obwodem elektrycznym do katody, na której jonizują tlen. W wyniku tej reakcji tlen łączy się z jonami wodorowymi i efektem jest powstanie cząsteczki wody. Należy jednak pamiętać, że reakcja ta jest silnie egzotermiczna, tj. emitowane są duże ilości ciepła. W wyniku reakcji zachodzących na elektrodach dochodzi do znacznej różnicy potencjału energetycznego, co powoduje powstanie energii elektrycznej.

Ogniwa-paliwowe---Zasada-działania

Rys. 2. Zasada działania ogniwa paliwowego (www.fuelcell.no/index_pl.HTM).

Stabilna praca ogniwa paliwowego wymaga ciągłego dostarczania do niego wodoru w postaci gazowej lub w postaci innych związków chemicznych (np. metan lub metanol), które ulegają stosunkowo szybkiemu rozpadowi wraz z wydzieleniem wodoru cząsteczkowego.

Do podstawowych czterech elementów pojedynczego ogniwa paliwowego zalicza się:

  • elektrolit,
  • elektrody,
  • płyty bipolarne (Bipolar Plates),
  • warstwy dyfuzyjne.

Należy również pamiętać, że elektrolit wykorzystywany w ogniwie paliwowym musi być dobrym przewodnikiem jonów i jednocześnie izolatorem dla elektronów. Pozwala to na zachowanie odpowiedniej równowagi chemicznej w urządzeniu. W przypadku przepływu elektronów między elektrodami bezpośrednio przez elektrolit może dojść do obniżenia sprawności ogniwa, a nawet do zatrzymania jego pracy.

Dodatkowo układ, w szczególności stosowany w transporcie, powinien być wyposażony w zbiornik paliwa. Od wielu lat trwają pracę nad sposobami magazynowania wodoru, co jak się okazuje, jest najtrudniejszym zadaniem. Obecnie do jego przechowywania stosuje się metody sprężania oraz skraplania. Wodór może być również przechowywany w formie stałej, np. w formie wodorków metali, związków metaloorganicznych lub nanorurek węgla. W układzie z ogniwem paliwowym elementami wyposażenia są różnego rodzaju pompy, dmuchawy, sprężarki i chłodnice, których zadaniem jest wtłaczanie paliwa i utleniacza do urządzenia oraz chłodzenie całej jednostki. Ponadto układy wyposażone są w jednostkę sterującą, która kontroluje automatyczną pracę ogniwa.

Ogniwa paliwowe – rodzaje

W praktyce podziału ogniw paliwowych dokonuje się ze względu na rodzaj stosowanego elektrolitu, który jednocześnie wpływa na zakres temperatur reakcji oraz rodzaj paliwa zasilającego. Do najczęściej wykorzystywanych urządzeń zalicza się:

  • ogniwa paliwowe metanolowe – DMFC (Direkt Methanol Fuell Cells), temperatura reakcji: 120-130°C,
  • ogniwa węglanowe – MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells), temperatura reakcji: 600-700°C,
  • ogniwa paliwowe alkaliczne – AFC (Alkaline Fuel Cells), temperatura reakcji: 150-220°C,
  • ogniwa polimerowe – PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells), temperatura reakcji: 70-100°C,
  • ogniwa paliwowe fosforowe – PAFC (Phosphoric Fuel Cells), temperatura reakcji: 180-220°C,
  • ogniwo tlenkowe – SOFC (Solid Oxide Fuel Cells), temperatura reakcji: 950-1050°C.

Obecnie obserwuje się coraz większe zainteresowanie wykorzystaniem ogniw paliwowych do celów komercyjnych. Znajdują one zastosowanie do zasilania przenośnych urządzeń elektronicznych. Ponadto większość dużych koncernów samochodowych posiada już w swojej ofercie pojazdy napędzane właśnie ogniwami paliwowymi. Urządzenia te mogą znaleźć również zastosowanie w jednostkach produkujących energię elektryczną i ciepło (zarówno oddzielnie, jak i w kogeneracji), szczególnie w miejscach, gdzie nie ma możliwości dotarcia z siecią energii konwencjonalnej. Wiele szpitali i lotnisk stosuje ogniwa paliwowe jako awaryjne źródło energii. Tak duże zainteresowanie wynika przede wszystkim z wyższej sprawności (w porównaniu do tradycyjnych systemów produkcji energii elektrycznej i ciepła). W zależności od zastosowanego rodzaju ogniwa sprawność elektryczna wynosi od 50 do nawet 80% (ogniwa węglowe DCFC). Dodatkową zaletą jest modułowość ogniwa, która pozwala na jego rozbudowę w zależności od danego zapotrzebowania na energię.

Ogniwa-paliwowe---rodzaje-Kozlowski236tab

Ogniwa paliwowe i ekologia

Jednak najważniejszym powodem tak dużego zainteresowania tego rodzaju sposobem produkcji prądu i ciepła jest aspekt ekologiczny. Ogniwa paliwowe produkują ok. 25 razy mniej zanieczyszczeń (tlenków) do otoczenia w porównaniu z silnikami spalinowymi. Produktem ubocznym całego procesu jest woda lub para wodna, która nie zagraża środowisku. Dodatkowo, oprócz wodoru, w ogniwach paliwowych można stosować również inne paliwa, m.in. biogaz, metan, gaz ziemny, LPG, gazy generatorowe oraz węglowodoru o dużej ilości wodoru. Dobrym przykładem mogą być tutaj ogniwa wysokotemperaturowe (węglanowe – MCFC i tlenkowe – SOFC), w których wykorzystuje się wewnętrzny reforming katalityczny wymienionych paliw. Wytworzony gaz reformingowy zawiera ok. 80% wodoru, 19% dwutlenku węgla oraz śladowe ilości metanu, tlenku węgla i parę wodną.

Ogniwa paliwowe – przykład zastosowania

Jednym z przykładów instalacji przemysłowych, w których mogą zostać wykorzystane ogniwa paliwowe, są biogazownie. W instalacjach tych, w kontrolowanych warunkach, prowadzony jest proces fermentacji różnego rodzaju biomasy. Produktem tego procesu jest biogaz, którego głównym składnikiem jest metan. W powszechnie wykorzystywanych układach biogaz jest w pierwszej kolejności osuszany i odsiarczany, a następnie spalany w spalinowych silniach kogeneracyjnych. Sprawność całkowita tych urządzeń mieści się w przedziale od 80 do 92%, z czego sprawność elektryczna stanowi ok. 40-45%. Uzyskanie maksymalnych sprawności jest jednak bardzo często trudne ze względu na niemożliwość pełnego zagospodarowania nadwyżek ciepła, w szczególności w okresie letnim.

Jednym ze sposobów zwiększenia sprawności produkcji energii oraz poprawienia bilansu ekonomicznego biogazowni może być zastąpienie agregatów kogeneracyjnych ogniwem paliwowym wysokotemperaturowym. Urządzeniem takim, przystosowanym do wykorzystania biogazu, jest ogniwo ze stopionym węglanem (MCFC). Ogniwo to pracuje w temperaturze od ok. 600 do ok. 700°C. Tak wysoka temperatura pozwala na przeprowadzenie reformingu parowego na katalizatorze i rozłożeniu metanu do wodoru i dwutlenku węgla. W następnej kolejności otrzymane gazy zostają spalane (w reakcjach, które zachodzą na elektrodach) z jednoczesnym wytworzeniem energii elektrycznej i ciepła. Sprawność elektryczna tego rodzaju ogniw wynosi ok. 55-60%.

Podsumowanie

W ostatnim czasie obserwuje się coraz większe wykorzystanie ogniw paliwowych (m.in. w transporcie). Ponadto przewiduje się dalszy rozwój i wzrost zastosowania tego rodzaju urządzeń. Jednak w chwili obecnej czynnikiem ograniczającym rozwój tej metody produkcji energii jest koszt produkcji 1 kW energii elektrycznej, który w urządzeniach w skali laboratoryjnej wynosi ponad 1500 $. Wynika to przede wszystkim z wysokich kosztów materiałów wykorzystywanych do budowy ogniw paliwowych. Niemniej na całym świecie trwają intensywne prace mające na celu wdrożenie tańszych materiałów do budowy elektrod i ograniczenie zużycia drogiej platyny. Tymczasem koszt produkcji 1 kW energii elektrycznej w silniku kogeneracyjnym pracującym już w skali przemysłowej wynosi od ok. 800 do 1300 $, co sprawia, że są one nadal bardziej opłacalne ekonomicznie. Jednak przy budowie instalacji przemysłowych należy brać pod uwagę również aspekty środowiskowe. Z prowadzonych obliczeń wynika, że zastosowanie ogniw paliwowych w energetyce konwencjonalnej pozwoli ograniczyć emisję dwutlenku węgla o ok. 40-60%, a emisję związków azotu nawet o ok. 50-90%.

Kamil Kozłowski

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij