Reálna prevádzka mikrokogeneračnej jednotky s palivovým článkom na zemný plyn

Namerané hodnoty výkonov, účinností a najmä životnosti poukazujú na nutnosť ďalšieho vývoja zariadení daného typu. Kogenerácia je spoločná výroba tepla a elektrickej energie (CHP – Combined Heat and Power) a predstavuje jeden z najlepších spôsobov, ako využiť chemickú energiu viazanú v palive.

Medzi technológie použiteľné na kombinovanú výrobu patria:

• spaľovacia turbína s kombinovaným cyklom,
• protitlaková parná turbína,
• kondenzačná parná turbína s odberom pary,
• spaľovacia turbína s regeneráciou tepla,
• spaľovací motor,
• mikroturbína,
• Stirlingov motor,
• palivový článok,
• Rankinove organické cykly,
• iný typ technológie, prostredníctvom ktorej sa zabezpečuje kombinovaná výroba tepla a elektrickej energie.

Dosiaľ všetky zariadenia ponúkané do domácností poskytovali výlučne technológie na oddelenú výrobu tepla (kondenzačné kotly, tepelné čerpadlá…) alebo na oddelenú výrobu elektrickej energie (fotovoltické panely, malé vodné a veterné elektrárne…). V súčasnosti sú však už na trhu dostupné aj kogeneračné jednotky s malými výkonmi, tzv. mikrokogeneračné jednotky s elektrickým výkonom blízkym 1 kWe, ktoré sú použiteľné aj v rodinných domoch a bytoch.

Tieto mikrokogeneračné jednotky pracujú najmä na princípe piestového spaľovacieho motora, Stirlingovho motora, parného stroja alebo palivového článku a dosahujú tepelný výkon do 20 kWt a elektrický výkon 1 až 5 kWe. Hlavným palivom využívaným v mikrokogenerácii s elektrickým výkonom okolo 1 kWe je zemný plyn. Filozofia využitia mikrokogenerácie v rodinných domoch je založená na výrobe tepelnej energie na vykurovanie a na príprave teplej vody, pričom ako bonus sa získava elektrická energia. Vyrobená elektrická energia sa spotrebováva priamo v dome a primárne nie je určená na predaj do distribučnej siete.

Palivový článok

Palivový článok je elektrochemické zariadenie, ktoré pomocou oxidačno-redukčnej reakcie priamo premieňa chemickú energiu viazanú v palive na elektrickú energiu. Princíp práce palivového článku je v podstate inverzný k elektrolýze vody. Do palivového článku sa privádza palivo (vodík) a okysličovadlo (kyslík), pričom elektrochemickou reakciou vzniká elektrický prúd a voda a vedľajším produktom je teplo. Typy palivových článkov sa líšia materiálom elektród, použitým elektrolytom, pracovnou teplotou a chemickými reakciami na elektródach. Palivové články sa podľa pracovnej teploty delia do troch základných kategórií, ktoré sa potom ešte rozdeľujú podľa použitého elektrolytu na šesť skupín:

1. Palivový článok s nízkou pracovnou teplotou (od 60 do 120 °C):

• AFC – alkalické palivové články (Alkaline Fuel Cell),
• PEMFC – polymérové palivové články (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell),
• DMFC – metanolové palivové články (Direct Methanol Fuel Cell),

2. Palivový článok so strednou pracovnou teplotou (od 160 do 200 °C):

• PAFC – palivové články s kyselinou fosforečnou (Phosphoric Acid Fuel Cell).

3. Palivový článok s vysokou pracovnou teplotou (od 600 do 1 000 °C):

• MCFC – palivové články s taveninou uhličitanu (Molten Carbonate Fuel Cell),
• SOFC – keramické palivové články (Solid Oxide Fuel Cell).

V kogenerácii sa najviac používajú palivové články typu PEM, SOFC a v malej miere aj priame metanolové články DMFC. Palivom pre palivový článok je vodík, ktorý sa môže do článku dodávať buď v čistej podobe, alebo v inej forme, ktorá obsahuje vodík (kvapalnej alebo plynnej), najčastejšie je to zemný plyn. Jeho využitie v palivovom článku ako zdroja energie v domácnosti sa javí ako najvýhodnejšie. Zemný plyn však musí byť bezsírny a musí prejsť procesom nazývaným reforming. Reforming prebieha najčastejšie ako parný alebo ako parciálna oxidácia.

Obr. 1 Pohľad na vysokoteplotný keramický palivový článok SOFC – vrchná časť mikrokogeneračnej jednotky

Mikrokogeneračná jednotka s palivovým článkom HexisGalileo 1000N

Palivové články sa dosiaľ najčastejšie používali v telekomunikačnej, vojenskej a vesmírnej technike, prípadne ako jednotky záložných zdrojov s veľkými výkonmi. Použitie palivových článkov v mikrokogenerácii nie je zatiaľ veľmi rozšírené, väčšina výrobcov je ešte len v štádiu vývoja a testovania. Finančne nákladný vývoj týchto zariadení a cena použitých materiálov palivového článku prinášajú vysokú obstarávaciu cenu, z čoho vyplýva malé rozšírenie týchto jednotiek. Komerčne dostupné sú takéto typy zariadení najmä v Japonsku, USA a v niektorých štátoch Európy (Nemecko, Švajčiarsko…). Na trhu sú v obmedzenom množstve dostupné modely mikrokogeneračných jednotiek ako napríklad Hexis Galileo 1000N, BlueGen, ClearEdge 5, GenSys E-60 (PlugPower), Panasonic EneFarm či Tropical RLN-1000.

Na Katedre energetickej techniky Strojníckej fakulty Žilinskej univerzity je v súčasnosti v experimentálnej prevádzke mikrokogeneračná jednotka na báze palivového článku na zemný plyn s technológiou SOFC (vysokoteplotný keramický palivový článok s pracovnou teplotou 870 °C), s elektrickým výkonom 1 kWe a tepelným výkonom palivového článku 1,8 až 3,3 kWt. Jednotku dopĺňa kondenzačný kotol s tepelným výkonom 7,0 až 20,0 kWt, ktorý pokrýva prípadnú zvýšenú potrebu tepla. Jednotka je schopná pracovať v režime palivového článku, kondenzačného kotla alebo v oboch režimoch súčasne. Nízky tepelný výkon palivového článku v spojení s akumulačným zásobníkom tepla umožňuje prakticky nepretržitú prevádzku. Jednotka využíva ako palivo zemný plyn, pričom vodík zo zemného plynu získava parciálnou oxidáciou CH4.

Obr. 2 Pohľad dovnútra mikrokogeneračnej jednotky – spodná časť

SOFC palivový článok je umiestnený v hornej časti mikrokogeneračnej jednotky (obr. 1), v spodnej časti je umiestnený kondenzačný kotol, systém prívodu a odsírenia plynu, nasávania a filtrácie vzduchu, odvodu kondenzátu a vody vzniknutej počas elektrochemickej reakcie, obehové čerpadlo, elektronický riadiaci systém a menič jednosmerného prúdu na striedavý (obr. 2). Zemný plyn musí prejsť zložitým procesom odsírenia, pretože síra pôsobí toxicky na katalyzátor v palivovom článku. Ruský plyn prakticky neobsahuje síru, najväčší podiel síry sa do plynu dostáva v podobe odorantov. Nasávanie vzduchu a výfuk spalín sa zabezpečujú koncentrickou komínovou rúrou. Vnútorná rúra slúži ako výfuk a priestor medzi vonkajšou a vnútornou rúrou slúži na nasávanie vzduchu pre elektrochemickú reakciu v palivovom článku, prípadne pre kondenzačný kotol. Po dokončení montáže sa jednotka uzavrie utesnenými izolovanými krytmi – na vrchnej časti sa nachádza ovládací panel (obr. 3). Vo vnútornom prostredí jednotky je vytvorený podtlak voči okolitej atmosfére. Potreba utesnenia vnútorného prostredia jednotky a vytvorenia podtlaku vyplýva z bezpečnosti, pretože zemný plyn je zbavený odorantov a prípadný únik by mohol spôsobiť ohrozenie obsluhy a výbuch.

Obr. 3 Mikrokogeneračná jednotka s palivovým článkom na zemný plyn

Meranie prevádzkových parametrov mikrokogeneračnej jednotky

Počas dlhodobého experimentálneho prevádzkovania mikrokogeneračnej jednotky na princípe palivového článku dodáva jednotka vyprodukovaný elektrický prúd do univerzitnej elektrickej siete, tepelná energia sa ukladá do 300-litrového akumulačného zásobníka tepla a následne sa využíva v teplovzdušnej jednotke. Schéma merania je zobrazená na obr. 4. Počas merania sa v laboratóriu zaznamenával atmosférický tlak a teplota okolia. Na určenie tepelného výkonu jednotky sa zaznamenávala teplota výstupnej (snímač teploty T1 – Pt100), vratnej vykurovacej vody (snímač teploty T2 – Pt100), jej hmotnostný prietok (hmotnostný prietokomer Yokogawa), jej tlak (snímač tlaku p – Ahlborn) a teplota akumulačného zásobníka. Na rýchle overenie stavu vykurovacieho systému obsluhou sú tieto snímače doplnené ručičkovými snímačmi teploty T1-r, T2-r a tlaku p-r. Systém nabíjania akumulačnej nádoby je doplnený regulačným ventilom Herz Strömax DN25, ktorým možno škrtiť prietok vykurovacej vody, čo umožňuje meniť teplotný spád.

Obr. 4 Schéma merania a zapojenia mikrokogeneračnej jednotky s palivovým článkom na zemný plyn

Veľkosť tepelnej energie využitej v teplovzdušnej jednotke možno ovplyvňovať nastavením otáčok ventilátora v piatich stupňoch a nastavením rýchlosti obehového čerpadla na výstupe z akumulačnej nádoby (tiež v piatich stupňoch). Kombináciou nastavení otáčok ventilátora a obehového čerpadla možno navoliť dostatočné množstvo rôznych stavov odberu tepla, ktoré simulujú potrebu tepla rodinného domu v rôznych situáciách a počas vykurovacieho obdobia. Na určenie spotreby zemného plynu sa zaznamenávala teplota (snímač teploty TZP – Pt100), tlak (snímač tlaku pZP – Ahlborn) a jeho prietok (membránový plynomer BK-G2,5). Tieto hodnoty sa následne použili na prepočet objemu pretečeného zemného plynu za normálnych podmienok (teplota 15 °C, tlak 101 325 Pa). Na určenie spotrebovanej a vyprodukovanej elektrickej energie sa použil dvojcestný wattmeter Rawet s deliacimi cievkami (pomer delenia 15 : 5). Merania prebiehali pri ustálenom režime práce mikrokogeneračnej jednotky (pri teplotnom spáde 75/25 °C) a počas špecifických podmienok, ktoré môžu nastať pri prevádzke v rodinnom dome.

Štart palivového článku v mikrokogeneračnej jednotke

Na obr. 5 vidieť jeden zo štartov mikrokogeneračnej jednotky, ktorý bol 4. 9. 2014. Ukazuje priebeh vyprodukovanej a spotrebovanej elektrickej energie, tepelnej energie a energie dodanej v zemnom plyne počas štartu a nábehu mikrokogeneračnej jednotky na nominálny elektrický výkon. Prvá fáza rozbehu jednotky spočíva v jej nahrievaní na prevádzkovú teplotu 870 °C. Nahrievanie je zabezpečené elektrickými špirálami s príkonom okolo 1450 We, táto elektrická energia sa dodáva z vonkajšej elektrickej siete a predohrev trvá približne 8 hodín. Počas tejto fázy otvára plynová armatúra prívod zemného plynu, ale pre nízku teplotu nenastáva reakcia parciálnej oxidácie, modul palivových článkov zatiaľ neprodukuje elektrický prúd a všetok privedený zemný plyn zhorí v zóne dohárania. Tepelný výkon jednotky pomaly narastá. Produkcia elektrického prúdu sa začína približne 14,5 hodiny po zapnutí jednotky, elektrický predohrev sa vypína a jednotka spotrebováva z vonkajšej elektrickej siete už iba 25 We, ktoré slúžia na synchronizáciu elektrického meniča. Produkcia elektrického prúdu je však zatiaľ kolísavá, zariadenie dosiahne stabilný nominálny elektrický výkon až 45 hodín po zapnutí.

Obr. 5 Priebeh spotrebovanej a vyprodukovanej elektrickej energie, tepelného výkonu a výkonu dodaného v zemnom plyne počas štartu mikrokogeneračnej jednotky Hexis Galileo

Prevádzka pri bežných podmienkach

Na obr. 6 vidieť reprezentatívny výber nameraných a vypočítaných hodnôt počas dlhodobej prevádzky mikrokogeneračnej jednotky s palivovým článkom (vybraný úsek merania predstavuje 2 360 prevádzkových hodín). Priebeh elektrického výkonu počas dlhodobého merania ukazuje jeho postupné znižovanie z hodnoty 1 000 We deklarovanej výrobcom na hodnotu 850 We. Tento priebeh potvrdzuje fakt znižujúcej sa elektrickej účinnosti palivového článku v závislosti od prevádzkového času. Prudké poklesy elektrického výkonu počas merania sú spôsobené výpadkami elektrickej energie vo vonkajšej elektrickej sieti.

Obr. 6 Priebeh spotrebovanej a vyprodukovanej elektrickej energie a tepelného výkonu počas dlhodobej prevádzky mikrokogeneračnej jednotky

Stredný tepelný výkon palivového článku počas merania mierne narastá z hodnoty 2 000 Wt na 2 300 Wt, čo je spôsobené poklesom elektrickej účinnosti palivového článku (najmä poklesom účinnosti premeny metánu na vodík parciálnou oxidáciou). Prudké zmeny tepelného výkonu sú spôsobené riadením obehového čerpadla jednotky. To je navrhnuté tak, aby sa v palivovom článku vždy udržiavala pracovná teplota 870 °C a len zvyšná tepelná energia sa odovzdáva do akumulačného zásobníka. Priebeh spotrebovanej elektrickej energie z vonkajšej elektrickej siete je prakticky konštantný. Spotrebovávaná elektrická energia slúži na synchronizáciu elektrického meniča jednotky s elektrickou sieťou.

Na obr. 7 je priebeh účinností počas dlhodobého merania. Celková účinnosť jednotky je prakticky počas celého merania konštantná, jej hodnota je 0,88. Elektrická účinnosť počas merania klesla z počiatočnej hodnoty 0,3 na hodnotu 0,25. Tepelná účinnosť mierne vzrástla z hodnoty 0,53 na hodnotu 0,64. Je to spôsobené znížením elektrickej účinnosti, čo vedie k zvýšeniu množstva nezreagovaného zemného plynu v palivovom článku – tento plyn sa potom mení na tepelnú energiu v zóne dohárania.

Obr. 7 Priebeh elektrickej, tepelnej a celkovej účinnosti počas dlhodobej prevádzky mikrokogeneračnej jednotky

Simulovaný výpadok vo vonkajšej elektrickej sieti

Na obr. 8 je priebeh spotrebovanej a vyprodukovanej elektrickej a tepelnej energie počas simulovania výpadku elektrickej energie, ktorý nastal 19. 2. 2015. Počas krátkodobého výpadku elektrickej energie vo vonkajšej rozvodnej sieti mikrokogeneračná jednotka okamžite znížila svoj výstupný elektrický výkon z 1 000 We na 0 We a prepla sa do stand-by režimu (stále však produkovala približne 200 We elektrickej energie pre vlastnú spotrebu a na pohon obehových čerpadiel – mikrokogeneračná jednotka je schopná zabezpečiť neustálu dodávku tepla). Po obnovení dodávky elektrickej energie jednotka nabiehala na menovitý elektrický výkon, pričom čas nábehu trval približne 2,5 hodiny. Priebeh tepelného výkonu počas simulovania výpadku energie bol skoro konštantný, mierne zvýšenie nastalo počas prechodu do útlmového režimu, čo bolo spôsobené vychladzovaním palivového článku.

Obr. 8 Priebeh spotrebovanej a vyprodukovanej elektrickej energie, tepelného výkonu a výkonu dodaného v zemnom plyne počas simulovaného výpadku elektrickej energie vo vonkajšej sieti

Spotreba elektrickej energie z vonkajšej elektrickej siete počas prechodu z útlmového režimu je spôsobená spustením elektrických špirál v palivovom článku, ktoré majú za úlohu opätovne zohriať palivový článok na pracovnú teplotu 870 °C. Druhým dôvodom je fakt, že počas krátkeho času pri prechode z útlmového režimu sú všetky zariadenia a systémy mikrokogeneračnej jednotky napájané z vonkajšej elektrickej siete. Toto napájanie sa odpojí až vedy, keď má palivový článok dostatočný elektrický výkon aj s rezervou (asi 200 We). Odpojenie napájania z vonkajšej siete sa prejaví krátkodobým poklesom elektrického výkonu palivového článku. Potom jednotka opäť spotrebováva približne 26 We elektrickej energie z elektrickej siete.

Simulovanie režimu bez potreby tepla

Na obr. 9 vidieť reakciu mikrokogeneračnej jednotky počas stavu, keď v domácnosti nie je potreba tepla. Počas tejto simulácie bolo vypnuté čerpadlo na výstupe z akumulačnej nádoby a vypnutá bola aj teplovzdušná jednotka na spotrebovávanie tepla. Postupné nahrievanie akumulačného zásobníka sa prejavuje zvyšovaním teploty výstupnej a vratnej vody. Keď sa dosiahne teplota výstupnej vody 73 °C, teplota vratnej vody 58 °C a teplota akumulačného zásobníka tepla 60 °C, mikrokogeneračná jednotka začne znižovať svoj tepelný a elektrický výkon a prepína sa do udržiavacieho režimu. Elektrický výkon klesá na hodnotu 300 We a tepelný výkon klesá na hodnotu približne 1 000 Wt.

Týmto sa riadiaci systém snaží produkovať len toľko tepla, aby sa jednotka neprehrievala a mohla zostať naďalej v prevádzke dovtedy, kým teploty vody nedosiahnu kritické hodnoty (ak tento stav trvá dlhšie, jednotka sa prepne do „letného režimu“ a palivový článok sa vypína). Po obnovení odberu tepla sa jednotka pomerne rýchlo prepína do normálneho režimu a prejde na svoj nominálny elektrický výkon.

Obr. 9 Priebeh vyprodukovanej elektrickej energie, tepelného výkonu a výkonu dodaného v zemnom plyne, teplôt vykurovacej vody a akumulačného zásobníka počas simulovania režimu bez potreby tepla (trvanie približne dva dni)

Vypínanie mikrokogeneračnej jednotky

Na obr. 10 vidieť vypínanie mikrokogeneračnej jednotky. Ihneď ako užívateľ cez užívateľské rozhranie zadá požiadavku na vypnutie jednotky, tá v rozmedzí 10 minút zníži svoj elektrický výkon na 0 We a plynová armatúra uzatvorí prívod zemného plynu. Tepelný výkon sa znižuje len pomaly, pretože vykurovacia voda musí ochladiť modul palivových článkov. Na pohon obehového čerpadla sa z vonkajšej elektrickej siete dodáva výkon približne 50 We. Po ochladení palivových článkov na teplotu približne 90 °C sa jednotka vypne úplne. Odmeraná spotreba zemného plynu v stave, keď je jednotka vypnutá, je spôsobená chybou merania.

Obr. 10 Priebeh spotrebovanej a vyprodukovanej elektrickej energie, tepelného výkonu a výkonu dodaného v zemnom plyne počas vypínania mikrokogeneračnej jednotky

Záver

Merania ukázali, že mikrokogeneračná jednotka je schopná zásobovať domácnosť elektrickou energiou a v kombinácii so zabudovaným kondenzačným kotlom aj teplom v plnom rozsahu. Do dňa vzniku tohto článku (20. 8. 2015) pracovala jednotka 11 195 hodín, pričom vyprodukovala 9,164 MWh elektrickej energie s priemernou elektrickou účinnosťou 0,25, tepelnou účinnosťou 0,64 a celkovou účinnosťou 0,89. Testovanie ukázalo postupné znižovanie výstupného elektrického výkonu v závislosti od prevádzkových hodín. Dôvodom znižovania elektrického výkonu a elektrickej účinnosti bolo postupné znižovanie účinnosti parciálnej oxidácie zemného plynu a z toho vyplývajúce nižšie množstvo získaného vodíka. V súčasnosti, po približne roku a pol prevádzky, už modul palivových článkov neprodukuje elektrickú energiu a je nutné ho vymeniť za nový.

Simulácie štartu, vypínania a výpadku elektrickej energie vo vonkajšej sieti poukázali na to, že nejde o pružný zdroj elektrickej energie. Preto je výhodné jeho spojenie s veľkým akumulačným zásobníkom tepla, čo prináša nepretržitú prevádzku. Simulácie výpadku elektrickej energie vo vonkajšej sieti ukázali, že jednotka v danom zapojení nie je schopná pracovať v ostrovnom režime dodávky elektriny, ale je schopná zabezpečiť aspoň trvalú dodávku tepla aj v čase, keď neprodukuje výstupný elektrický prúd. Namerané hodnoty výkonov, účinností a najmä životnosti tak poukazujú na nutnosť ďalšieho vývoja zariadení daného typu.

Článok vznikol v rámci Projektu 567/PG04/2011 Porovnanie efektívnosti využitia energie zemného plynu v mikrokogeneračných jednotkách na princípe palivového článku a Stirlingovho motora a vďaka podpore neinvestičného fondu EkoFond zriadeného spoločnosťou SPP. Úloha sa realizovala v rámci riešenia projektu Výskumné centrum Žilinskej univerzity, ITMS 26220220183.

Foto a obrázky: autori

Literatúra

1. DVORSKÝ, E., HEJTMÁNKOVÁ, P.: Kombinovaná výroba elektrické a tepelné energie. Praha: Technical literature BEN, 2005.
2. HUŽVÁR, J., JANDAČKA, J., PILÁT, P.: Proposal of microcogeneration unit with biomass combustion. Experimental fluid mechanics 2008: International conference, November 26-28, 2008, Liberec, Czech Republic: conference proceedings. Liberec: Technical University, 2008.
3. LÁBAJ, J., KAPJOR, A., PAPUČÍK, Š.: Alternatívne palivá pre energetiku a dopravu. Žilina: GEORG, 2010.
4. KUČÁK, Ľ., URBAN, F.: Kogenerácia na báze palivového článku. Vykurovanie 2007. Zborník prednášok z 15. medzinárodnej konferencie, Tatranské Matliare, 26. 2. až 2. 3. 2007. Bratislava: Slovenská spoločnosť pre techniku prostredia ZSVTS, 2007.
5. PATSCH, M., ČIERNY, J., JANDAČKA, J., MALCHO, M.: Mikrokogenerácia založená na technológii palivového článku. In: Slovgas – odborný plynárenský časopis, roč. 23, č. 2, 2014.
6. PEHNT, M., CAMES, M., FISCHER, C., PRAETORIUS, B., SCHNEIDER, L., SCHUMACHER, K., VOß, J. P.: Micro Cogeneration, Towards Decentralized Energy Systems. Berlín: Springer, 2006.
7. Technická dokumentácia mikrokogeneračnej jednotky s palivovým článkom Hexis Galileo, Hexis, a. g.

Ing. Marek Patsch, PhD., Ing. Peter Ďurčanský, PhD.
Autori pôsobia na Katedre energetickej techniky Strojníckej fakulty Žilinskej univerzity v Žiline.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.