Obnovitelné zdroje

Článků v rubrice: 195

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

Max Born - teoretik a filozof kvantové mechaniky

S obdobím rozkvětu atomové fyziky ve dvacátých letech minulého století na proslulé univerzitě v německém dolnosaském městě Göttingenu (Georg-August-Universität) je významně spjato jméno německo-britského matematika a fyzika židovského původu Maxe Borna, ...

Kufřík matematických záhad

Historie matematiky se klene přes celá tisíciletí, učí se ji a používají lidé na celé planetě. Nezabránil tomu ani Codex Justinianus, sbírka všech zákonů a nařízení východořímského císaře Justiciána I, podle kterého „Zavrženíhodné umění matematické jest zakázáno především“.

Studenti postavili trikoptéru připomínající vosu

Měří jen 40 centimetrů, ale rozhodně ji nepřehlédnete. Trikoptéru Elektra, kterou na českobudějovické Vysoké škole technické a ekonomické (VŠTE) postavili studenti Jan Večerek a Tomáš Szendrei, pohánějí tři opravdu velmi hlasité rotory.

Bohatá diagnostika tokamaku ITER

Jak se obsluha tokamaku dozví, co se děje uvnitř vakuové komory v plazmatu? Prostředníkem mezi plazmatem a obsluhou budou, jako v každém tokamaku, nejrůznější diagnostiky. Vyhodnocovací zařízení obsadilo celé levé křídlo Trojbudoví (Tokamak Complex).

Vodík jako palivo budoucnosti

Investice do vodíkových technologií v posledních letech rostou. Loni dosáhly v Evropě rekordních téměř 22 miliard korun a dál se zvyšují. Hlavním cílem je snížit cenu vodíku, což by souběžně s budováním infrastruktury mělo urychlit energetické využití vodíku především v dopravě.

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