Obnovitelné zdroje

Článků v rubrice: 189

Kam směřuje vývoj palivových článků?

Demonstrační premiéry palivovými články poháněných automobilů, vlaků, tramvají a dokonce i malého letadla v průběhu minulého roku korunovalo spuštění první "balené" palivočlánkové elektrárny v Mannheimu s výkonem 1,4 MW. Vysoce efektivní elektrochemický proces pootevírá konečně dveře vodíkovému zítřku čisté elektrické dopravy a energetiky bez proklínaných exhalací.

Fotogalerie (5)
První evropská třígenerační jednotka s palivovými články DFC v Mannheimu s el. výkonem 1,4 MW (foto Siemens.com/press)

Nástup nové generace palivových článků a kogenerace

Za "otce" palivových článků je pokládán anglický chemik William Growe, jehož aparatura pojmenovaná jako "plynogalvanická baterie" v roce 1839, ještě dříve než Siemensovo dynamo, dokázala reakcí vodíku a kyslíku na elektrodách generovat stejnosměrný elektrický proud. Do praxe se však palivové články v roli baterií dostaly až v šedesátých letech 20. století. Nejprve u kosmických lodí Apollo k napájení přístrojů, později u poválečných německých ponorek v podobě nízkoteplotních článků s alkalickým elektrolytem. Ty spolu s pokročilejší generací článků s polymerními membránami PEM a PEFC se dnes začínají uplatňovat jako čistý kompaktní zdroj elektřiny k pohonu elektrických automobilů, autobusů a vlaků, a pokoušejí se z dopravy vytlačit spalovací motory. Do role "balených" elektráren schopných ukládat megawattové elektrické výkony z větrných nebo solárních elektráren, nebo využít energii dostupnějšího zemního plynu s nejefektivnější účinností bez spalování, se prosazují tzv. vysokoteplotní palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC) nebo s roztavenými uhličitany (MCFC). Díky provozním teplotám 600 až 1000 0C umožňují v tak zvaném kogeneračním zařízení i přímou konverzi zemního plynu či jiných uhlíkatých paliv a kromě elektřiny a tepla dokážou navíc produkovat vodík k dalšímu průmyslovému využití. Proces je ekologicky čistší než dosavadní výroba vodíku pomocí elektrolyzérů napájených elektřinou z uhelných elektráren. O poválečném vývoji a principu alkalických nízkoteplotních a vysokoteplotních palivových článků se podrobněji dozvíte z článků uveřejněných na stránkách Třípólu 21. května (https://www.3pol.cz/cz/rubriky/obnovitelne-zdroje/1084-co-je-to-palivovy-clanek) a 30. října 2003 (https://www.3pol.cz/cz/rubriky/obnovitelne-zdroje/1081-palivove-clanky-ii) a v r. 2011 zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/obnovitelne-zdroje/1003-palivove-clanky-realitou.

Pokus, který zklamal,  přesto otevřel palivovým článkům reálnější budoucnost

V letech 1988 až 2000 proběhl v ústavu vybudovaném na kopci nad bavorským městečkem Neunburg nedaleko našich hranic rozsáhlý test sdružení Solar-Wasserstoff (Siemens, MBB, Lindé, automobilka BMW aj.) s ukládáním elektřiny ze solárních panelů s výkonem 300 kW do vodíku, a jeho využíváním  konverzí na elektřinu. Tři elektrolyzéry rozkládaly vodu na vodík a kyslík a oba plyny byly odděleně ukládány do tlakových nádrží, vodík byl částečně i zkapalňován. Vodíkem se vytápěly rozsáhlé objekty, a tři palivové články PEM z něho produkovaly elektřinu pro vlastní potřebu laboratoří, přebytky se dodávaly zejména v noci do veřejné sítě Neunburgu. Automobil i dílenské vozíky poháněné elektřinou z mobilních palivových článků tankovaly k pohonu zkapalněný vodík. Bilance desetiletého testu však tehdy vyzněla katastrofálně: kilowatthodina která prošla ze solárních panelů přes vodík a palivové články, byla desetinásobně dražší než z veřejné sítě! Kilometr jízdy vodíkovým BMW vyšel třicetinásobně dráž než při jízdě na benzín... Z negativní zkušenosti ale profitoval průmysl zdokonalením principu i komponent palivových článků! Patnáct největších světových společností počínaje Siemensem, Westinghousem, Ballardem, GM, VW, Oplem a Toyotou v současné době testuje, vyrábí a nabízí deset principiálně odlišných typů nízkoteplotních a vysokoteplotních palivových článků, které v současné době zdokonaluje, vyrábí, testuje a nabízí patnáct světových výrobců od nejmenších pro mobilní elektroniku až po megawattové modulární elektrárny a teplárny.

Aktuální palivočlánkové premiéry v dopravě

» 9. 11. 2015: Lindé předvádí elektrobicykly H2 s palivovým PEM článkem o výkonu 250 W na stlačený vodík v bombičkách.

» 5. 2. 2016: Van Hool nasadil 10 palivočlánkových autobusů na "zelenou vodíkovou linku" v Aberdeenu.

» 7. 3. 2016: Čínské Quingdao uvedlo do provozu tramvajovou linku s 12 tramvajemi 27T od Škoda Transportation, s pohonem vodíkovými články od Ballarda.

» 20. 9. 2016: Francouzský ALSTOM předvádí v Berlíně vodíkovou regiojednotku Coradia iLint a s Norskem uzavírá dohodu na 50 dalších pro německé železnice.

» 29. 9. 2016: Na Stuttgardském letišti startuje "vodíkový"  letoun HY4 s PEM články Hydrogenius.

» 1. 9. 2017: Francouzská Pragma Industries ohlašuje vývoj vodíkových bicyklů s kompaktním vyvíječem vodíku "Nesspresso".

» 27. 2. 2018: Siemens a Ballard zahajují vývoj vysokorychlostních vodíkových jednotek MIREO.

Vysokoteplotní palivové články otevřely cestu k energetickým parkům

Elektrochemický proces odehrávající se ve vysokoteplotních článcích používá elektrolyt ze směsi uhličitanů lithného, draselného a sodného, umístěný v porézní keramické matrici v podobě vysoce vodivé taveniny. Vysoká pracovní teplota reakce u článků MCFC a SOFC umožňuje reformovat přiváděný zemní plyn nebo bioplyn vodní parou přímo v samotném článku. Slabinou poměrně rychlé reakce elektronů a iontů je oproti starším typům palivových článků pomalejší náběh systému, vyžadující zahřátí na provozní teplotu. Koncem roku 2015 se americká společnost FuelCell Inc. pochlubila první stovkou dodaných modulárních jednotek DFC® (Direct Fuel Cell) s výkony kolem 1 MW a více, pracujících na padesáti místech naší planety. Jako první v EU si ji pořídila, a po půlroční instalaci a testování 5. listopadu  2016 do provozu ve spolupráci s německou energetickou společností E.ON uvedla, Mannheimská továrna Friatec AG. Sestává ze čtyř volně umístěných modulárních jednotek DFC, vzhledem připomínajících námořní kontejnery. Díky použitým palivovým článkům MCFC při provozní teplotě 580 - 675 °C dodává několika halám Friatecu hodinový  elektrický výkon 1,4 MW, a až 6 000 MWh tepla ročně! Vodík potřebný k provozu článků se získává ze zemního plynu endotermní reakcí s vodní párou (tzv. reformováním) podle rovnice :  CH4 + 2H2O = 4H2 + CO2. Celková účinnost přeměny zemního plynu na elektřinu se blíží 50 %. Využitím odpadního tepla kogenerací se její celková účinnost přiblížila k 85 %! Ve srovnání s elektřinou z mixu veřejné elektrické sítě tento zdroj nezatěžuje okolí žádnými emisemi oxidů dusíku nebo síry, a emise CO2 se ročně snížily o 3 000 t. Modulární články DFC dovolují využít jako produkt reakce i samotný vodík buď pro výrobní technologie závodu, nebo např. k pohonu vysokozdvižných vozíků v provozovně.

Sestava rozměrem malých modulárních jednotek, které lze kdekoliv instalovat během několika měsíců, otevírá průmyslu zcela nové možnosti využití "třígeneračních DFC" v sestavách do tzv. energetických parků, zásobujících elektřinou a teplem nově vznikající města, nově budované přístavy či závody na odsolování mořské vody, v budoucnu zásobující i vodíkové tankovací stanice palivem pro vodíkové automobily či autobusy.

Korea na čele

V zavádění revolučního a čistého zdroje energie, jakým se stávají pokročilé palivové články, zatím Evropu kromě Spojených států nečekaně předbíhá Jižní Korea. V nedávno dokončeném mobilním parku Gyeonggi Green Energy dala do provozu 21 bloků poskytujících městské síti elektrický výkon 60 MW, a zajišťujících dálkové vytápění průmyslového centra. Koncem příštího roku jej má překonat palivočlánkový megapark POSCO Energy v jihokorejském Pchjongtcheku s celkovým elektrickým a tepelným výkonem 360 MW!

Druh palivového článku prozrazuje jeho název

Vývoj dospěl zatím k deseti druhům palivových článků, lišících se složením elektrolytu, materiálem a strukturou elektrod katody a anody, druhem paliva, teplotou reakce, způsobem chlazení a výkonem, který rozhoduje o jejich použití od mikroelektroniky, přes dopravní prostředky, až po megawattové elektrárny a kogenerační jednotky. K snazší orientaci zájemcům uvádíme v abecedním pořádku jejich mezinárodně zavedené označování:

 

PLNÝ ANGLICKÝ NÁZEV

ELEKTROLYT/TEPLOTA/POZNÁMKA

AFC

Alkaline Fuel Cell

Alkalický (KOH), 60-90 °C , účinnost až 80 %, levné

DMFC

Direct Methanol Fuel Cell

Spaluje metanol, 100 °C, univerzální mobilní použití

DFC®

Direct Fuel Cell

Modulární jednotky FuelCell Inc. Energy, 700-1 100 °C, trigenerace ze zemního plynu, 1-6 MW

DCFC

Direct Carbon Fuel Cell

Tuhé oxidy uhlíku, 760-800 °C, energetika

MCFC

Molten Carbonate Fuel Cell

Roztavené uhličitany, 600-700 °C, spaluje zemní plyn, trigenerace

PAFC

Phosphoric Acid Fuel Cell

Kyselina fosforečná, 160-250 °C, pro megawattové výkony

PCFC

Protonic Ceramic Fuel Cell

Protonový keramický, 700 °C, rychlý náběh, pro dopravu

PEFC

Polymer Electrolyte Fuel

Vodíkový s tenkou membránou, 100 °C, pro dopravu

PEM

Proton Exchange Membrane

S polymerní membránou propouštějící

vodíkové ionty, 150-180 °C

SOFC

Solid Oxide Fuel

Cell

Tuhé oxidy, 800-1 000 °C, přímá konverze vodíku, zejména pro dopravu

Návod na jednoduchý pokus s vodíkovým článkem najdete zde https://www.3pol.cz/cz/rubriky/navody-na-pokusy/936-vodikova-energetika-nazorne

Jan Tůma
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

ITER - pohled shora

Kdo si myslíte, že má největší přehled o tom co se děje na staveništi tisíciletí – na staveništi tokamaku ITER? Generální ředitel? Nebo šéf Rady ITER Arun Srivastava? Velký omyl! Je to muž, který z výšky 85 metrů sleduje z kabiny jeřábu dění pod sebou!

Průlom na tokamaku DIII-D. Zbystřete!

Režimy typu „Super H Mode“ demonstrují zlepšenou výkonnost fúze a umožňují zásadní krok směrem k ekonomické fúzní energii. Pokud Američané něco označí za „super výsledek“, bývá to zpravidla návnada pro sponzory. Ovšem pod zprávu z 24.

Počítač modeluje nestability ve fúzních plazmatech

Nestability plazmatu byly a jsou a budou velkou překážkou při udržení termojaderného plazmatu dobu dostatečně dlouhou pro fungování využitelné termojaderné fúze. Existuje řada počítačových programů – kódů, které dokáží simulovat chování plazmatu včetně rozvoje, průběhu nejrůznějších jeho nestabilit.

Proč si koupit elektrokolo?

Elektrokola zažívají poslední dobou obrovský boom. Oblibu získává tento dopravní prostředek doplněný o elektrický pohon zaslouženě. Na e-kolech snadněji a pohodlněji zdoláte náročnější terény a z jízdy se tak můžete radovat, ať je vaším cílem obchodní ...

Učit se, učit se, učit se – před 100 lety a po americku

V článku První světová válka, elektrotechnika a američtí vynálezci (https://www.3pol.cz/cz/rubriky/bez-zarazeni/2283-prvni-svetova-valka-elektrotechnika-a-americti-vynalezci) jsme si prohlíželi stránky starého (již dávno zaniklého) amerického měsíčníku The Electrical Experimenter z roku 1918.

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail