Využitie vodíkových technológií: Návrh čerpacej stanice pre vodíkové autobusy

Článok predstavuje návrh čerpacej stanice pre vodíkové autobusy. Diplomová práca s témou využitia vodíkových technológií pre výrobné procesy obsadila druhé miesto v súťaži o najlepšiu diplomovú prácu o obnoviteľných zdrojoch energie. Súťaž vyhlásila medzinárodná spoločnosť Vaillant Group, ktorá hodnotila zaslané práce v porote zloženej aj z predstaviteľov troch slovenských univerzít.

Poznáte výhody Klubu ASB? Stačí bezplatná registrácia a získate sektorové analýzy slovenského stavebníctva s rebríčkami firiem ⟶

Diplomová práca sa zaoberala návrhom modulárneho energetického systému, ktorý premieňa slnečné žiarenie na elektrickú energiu. Energia sa bude ukladať do batériového úložiska, alebo vo forme vodíka v nádržiach v závislosti od stavu systému.

Sekundárnym cieľom práce bolo overiť vhodnosť systému ako čerpacej stanice pre vodíkové autobusy a ich konkurencieschopnosť s konvenčnými pohonmi. Návrh sa realizoval vo forme simulačných modelov v prostredí Matlab-Simulink a zároveň bol vytvorený reálny zmenšený model.

Vývoj automobilového priemyslu sa uberá smerom k plne elektrifikovaným automobilom, alebo k spájaniu výhod spaľovacích a elektrických pohonov do celku. Otázka je, ako čo najlepšie pretransformovať výhody fosílnych palív do iných spôsobov uskladnenia energie. Primárnym spôsobom ukladania energie pri automobilových aplikáciách aj v priemysle sú batérie, ktorých nevýhody sú však dlhodobo známe.

Z hľadiska energetickej hustoty sa spomenuté úložisko vo forme batérie približuje fosílnym palivám. Z hľadiska času nabíjania je však toto úložisko stále pomalšie a aj napriek vývoju sa nepredpokladá, že v nasledujúcich rokoch dôjde k prijateľnému zrovnaniu času čerpania/nabitia s fosílnymi palivami.

Využitie vodíka ako nosiča energie je preto ekonomicky prijateľné zväčša vo vozidlách, ktorých životný cyklus je z hľadiska najazdených kilometrov niekoľkokrát vyšší ako pri osobných automobiloch. T

aké vozidlo je napríklad autobus. Jeho ďalšia výhoda je aj pomerovo vyššia hmotnosť vozidla k inštalovanej vodíkovej technológii. Na základe spomenutých aplikácií, ktoré vodík spotrebúvajú, je v súčasnosti potrebný systém, ktorý bude produkovať vodík v stabilných množstvách. Cieľom diplomovej práce bolo navrhnúť systém pre produkciu vodíka z obnoviteľných zdrojov, a to pomocou elektrolýzy vody.

Konkrétnym zdrojom elektrickej energie pre elektrolýzu je solárna energia. Systém má slúžiť ako modulárne zariadenie na produkciu vodíka v automobilových aplikáciách – konkrétne ako čerpacia stanica pre vodíkové vozidlá. Základné súčasti sú PEMEL elektrolyzér, solárny systém a batériové úložisko.

Klasifikácia spôsobov výroby vodíka

Vodík možno vyrábať z obnoviteľných aj neobnoviteľných zdrojov energie. Prvý spôsob (ide o zelený vodík) je šetrný k životnému prostrediu, zatiaľ čo pri druhom spôsobe výroby (sivý vodík) je okrem vodíka konečným produktom aj forma uhlíkového zvyšku. Výroba z uhlia, ropy a zemného plynu je v súčasnosti najrozšírenejšia. Existujú aj tri spôsoby výroby vodíka z vody, a to tepelno-chemickým procesom (termolýzou), elektrochemickým procesom (elektrolýzou) a fotochemickým procesom (fotokatalýzou).

Potenciál slnečnej energie

Vzhľadom na vyššie uvedené bol v diplomovej práci pomocou simulačných nástrojov vytvorený model priebehu slnečnej radiácie počas roka v danej geografickej oblasti, ktorý bol vstupom do energetickej analýzy. Na základe získaných dát (graf na obr. 1) bol simulovaný presný priebeh slnečného žiarenia počas každého dňa v roku.

Maximálna hodnota radiácie v letných dňoch predstavuje približne 1 000 W/m², naopak, v zimných okolo 150 W/m². Priemerná denná radiácia je 198 W/m². Za 24 hodín teda dopadne na povrch okolo 4 728 Wh/m² slnečnej energie. Pri GHI-jasnej oblohe je priemerná radiácia 250 W/m², t. j. 6 000 Wh/m², pri GHI-oblačnosti je to 192 W/m², t. j. 4 608 Wh/m² (všetko za 24 hod.).

Vytvorenie zmenšeného modelu systému na výrobu vodíka z FV energie

Fyzickému návrhu systémov predchádza v súčasnosti podrobná simulačná analýza. Preto bol v simulačnom prostredí Simulink-Simscape vytvorený presný, parametrizovaný a dynamický model pozostávajúci z 80 W panelov, batérie s kapacitou 200 Wh a elektrolyzéra s výkonom 20 W. Tento model slúžil jednak na návrh riadiacich obvodov,  a jednak na optimalizáciu batériového úložiska a panelov.

Zmenšený simulačný model systému na výrobu vodíka z FV energie poskytol množstvo informácií o energetických a riadiacich tokoch, logických súvislostiach a dynamickom správaní v čase. V grafe na obr. 2 vľavo je znázornený základný princíp činnosti systému počas dvoch dní v lete. FV systém dodáva energiu do batérií aj do elektrolyzéra.

Po nabití batérie sa výkon FV systému znížil pomocou navrhnutých MPPT algoritmov na požiadavky elektrolyzéra a pri poklese produkovanej energie FV pod hodnotu spotreby elektrolyzéra sa zmenil spôsob napájania z FV na napájanie z batérie.

Okrem základných parametrov poskytol systém množstvo ďalších veličín potrebných pre komplexný reálny návrh s výkonom rádovo v desiatkach kilowattov. Bolo potrené overiť všetky možné situácie a stavy systému, keďže priebeh slnečného žiarenia je počas roka premenlivý, a teda nadimenzovať správne inštalovaný výkon FV systému, kapacitu batériového úložiska a veľkosť elektrolyzéra. Práve pre optimalizáciu komponentov je simulačný návrh, ktorý dokáže simulovať správanie systému počas celého roka, opodstatnený.

Vytvorenie zmenšeného zariadenia na výrobu vodíka z FV energie

Riadiace algoritmy zo simulácie boli pretransformované a aplikované do riadiacich mikropočítačov v zmenšenom reálnom zariadení (obr. 3 vľavo dole). Li-ion batérie sú umiestnené vo vnútri, panely vstupujú do zariadenia. Elektrolyzér je nahradený výkonovou záťažou.

Zariadenie pracuje autonómne, pričom na základe svetelných podmienok a stavu nabitia batérie dochádza k zmene tokov/smerovaniu elektrickej energie (FV -> batéria, FV -> elektrolyzér, batéria -> elektrolyzér, FV -> batéria a elektolyzér súčasne). Zariadenie môže byť monitorované/riadené pomocou PC alebo autonómne, dáta sú ukladané a vyhodnocované na cloude.

V zariadení boli vytvorené vlastné modely MPPT algoritmov (P&O, IC a. i.), ktoré boli neskôr aplikované do riadenia DC-DC meničov. Meniče so sledovaním bodu maximálneho výkonu (z angl. MPPT) FV systému a optimizéry sú dnes rozšírenou problematikou pri náraste FV inštalácií, no o to menej preskúmanou z hľadiska riadenia a implementácie do regulačných obvodov.

Návrh systému na výrobu vodíka pre konkrétnu aplikáciu s výkonom 100 kW

Zadaním bolo využiť voľnú strešnú plochu v priemyselnej oblasti na inštaláciu FV systému s výkonom 100 kWp a uložiť energiu vo forme vodíka a elektrickej energie. Hlavným cieľom práce bolo navrhnúť, optimalizovať jednotlivé podsystémy ako FV systém, elektrolyzér, batériové úložisko a riadiace jednotky systému.

Okrem hardvérového návrhu bolo cieľom vytvoriť dynamickú analýzu (analýzu uskutočniteľnosti), ako by zostavený systém fungoval ako čerpacia stanica pre autobus počas roka, a či by teda bol schopný pokryť jeho spotrebu. Systém by bol realizovaný formou modulárnych kontajnerov ako na obr. 4 (autonómny).

Takýto systém nie je možné ekonomicky a prakticky navrhnúť iba statickým výpočtom „na papieri“. Už len pri odhade kapacity, napätia a prúdov batériového úložiska sa nemožno riadiť výkonom jediného zdroja, t. j. FV systémom. FV systém s výkonom 100 kWp produkuje takýto výkon v našej zemepisnej šírke iba niekoľko dní v roku. Preto dimenzovať úložisko spôsobom: maximálny výkon FV × čas dňa, kedy je radiácia vyššia ako 1 000 W/m² nie je správne. Napríklad v zime by bolo úložisko nevyužité a energia na prípadné udržiavanie teploty batérií by prevyšovala produkciu energie.

Pre FV systém sme použili monokryštalické panely TALESUN TP7F78M s polovičnou bunkou, ktorá zabezpečuje menší vplyv rozdielnej radiácie na ploche panela. Konkrétne išlo o 8 paralelných zapojení, pričom v každom „stringu“ bolo zapojených sériovo 21 panelov. Sériové zapojenie vytvára maximálne napätie 950 V a prúd 13 A. Celkové zapojenie produkuje 105 A, 950 V a výkon 100 kW.

FV systém musí byť potenciálovo na rovnakej úrovni ako batériové úložisko z dôvodu strát pri konverzii napätia meničom. Vyššia napäťová úroveň zabezpečí nižšie prúdy, a teda aj prierezy vodičov.

Zapojenie obsahovalo optimizéry a by-pass diódy, ktoré eliminujú zlyhanie reťazca pri zatienení jedného panela (tzv. HeatSpot efekt). Tento typ panela bol parametrizovaný v simulačnom nástroji Matlab-Simulink, čo umožnilo získať úplne presný fyzikálny model FV systému a spolu s modelom radiácie (obr. 1) získať aj produkciu energie FV systému každú jednu minútu počas celého roka. Vstupom do modelu bola aj teplota okolia, ktorá ovplyvňuje produkciu energie.

V grafe na obr. 5 sú simulačné výsledky z nášho návrhu porovnané s dostupným komerčným softvérom pre návrh FV systémov Opensolar. Celková produkovaná energia získaná naším návrhom je 122,69 MWh/rok a získaná softvérom OpenSolar 115,82 MWh/rok. V zimných mesiacoch je produkcia minimálna, čo potvrdzuje náš predpoklad o návrhu úložiska. Na základe týchto výsledkov tak bolo možné vytvoriť prvotný návrh batériového úložiska.

Batériové úložisko s kapacitou 660 kWh

Požiadavkou je zabezpečenie prevádzky PEM elektrolyzéra pri tretinovom výkone, t. j. 33,3 kWh počas 10 hodín tak, aby kapacita batérie neklesla pod 50 %, čo zodpovedá kapacite 660 kWh. Vychádzajúc z predošlých poznatkov sme pre úložisko zvolili LiFePo₄ články namiesto Li-ion článkov. Batéria má maximálne napätie 1 050 V, stály vybíjací a nabíjací prúd 240 A. Okrem základných parametrov boli nasimulované a vypočítané aj ďalšie veličiny, ktoré je potrebné zohľadniť pri návrhu.

V grafe na obr. 6 je vybíjacia charakteristika navrhnutého úložiska. Odhadujeme, že spotreba PEM elektrolyzéra je na úrovni 33 kW, čomu zodpovedá vybíjací prúd batérie 37 A, ktorý úložisko dokáže poskytovať počas 20 hodín.

PEM elektrolyzér

Z technického hľadiska je elektrolyzér, ktorý premieňa vodu a elektrinu na vodík, komplikované zariadenie. Z pohľadu energetiky nás zaujímali iba jeho príkon 33 – 100 kW a účinnosť premeny energie na vodík P_nom/H2 = 66,70 kWh/kg_H2 (na výrobu 1 kg vodíka je potrebných 66,7 kWh energie). PEMEL je dynamické a zotrvačné zariadenie, ktoré má dlhý čas nábehu na nominálnu hodnotu produkcie vodíka (40 kg/24 h), čo treba zohľadniť aj pri riadení energetických tokov tak, aby nedochádzalo k častému spúšťaniu.

Výsledky a analýza energetických tokov navrhnutého systému

Rovnako ako pri zmenšenom návrhu, aj tento model poskytol informácie o množstve energetických, riadiacich a logických tokov. V grafe na obr. 7 sú základné výkony/energetické toky jednotlivých podsystémov, batérie (P_batt), FV systému (P_FV) a elektrolyzéra (P_ELZ). Vľavo je priebeh výkonov podsystémov v lete počas dvoch dní s počiatočne nabitou batériou na 100 %. Stratégia riadenia je nasledovná: batéria zrána napája elektrolyzér výkonom 33 kW.

V momente, keď FV systém dosiahne túto hranicu, je batéria odpojená a celý výkon FV je smerovaný do ELZ. Po poklese výkonu FV (podvečer) je časť energie smerovaná do batérie a ELZ súčasne. Nasledujúci deň dochádza zväčša k nabíjaniu batérie, potom je energia z FV smerovaná do ELZ. Na obr. 7 vpravo je prípad, keď je radiácia priemerná, a teda riadenie smerovania energetických tokov muselo byť autonómne, aj zohľadňovať stav systému a okolia.

Presným modelom sme zistili, že pri radiácii 1 000 W/m² nie je reálny výkon 100 kW, ale približne 87 kW, čo je spôsobené teplotným koeficientom panelov T_VOC (0,26 ± 0,05; %/°C). Tým, že pri danej radiácii je teplota okolia oveľa vyššia, vzniká pokles napätia na výstupe FV systému (výkon FV panelov je udávaný pri radiácii 1 000 W/m² a teplote okolia 20 °C, čo je v praxi nezlučiteľný stav). Pri polovičnej radiácii (obr. 7 vpravo) nebol výkon polovičný, pretože teplota okolia bola nižšia.

Analýza využiteľnosti navrhovaného systému v automobilovom priemysle

Simulačný model sa použije na analýzu uskutočniteľnosti čerpacej stanice pre vodíkový autobus. Cieľom je zistiť, do akej miery je systém s výkonom FV systému 100 kWp schopný pokryť spotrebu vodíkového autobusu v mestskej premávke. Uvažovali sme s reálnym modelom autobusu Solbus SM12H2F.

Najprv bola modelovaná spotreba podľa jazdných cyklov (NEDC, WLTP,HWFET a pod.). Priemerná elektrická spotreba autobusu je 130 kWh/100 km, resp. 8,24 kg vodíka na 100 km. Následne bol zostavený 48-hodinový jazdný cyklus z údajov o pohybe autobusu meraných na palube. Cyklus pozostával zo 64 jázd rozdelených do 4 úsekov po 8 hodinách, išlo teda o 675 km, čo reprezentuje použitie vozidla v kyvadlovej doprave.

Energetická bilancia pri rôznych stavoch systému je v tab. 1. Celková spotreba vodíka počas 697 km predstavovala 55 kg. Navrhnutý systém by v lete pokryl 30,9 %, resp. 20,3 % spotreby v závislosti od toho, či je batéria systému počiatočne nabitá (SOC = 95 %), alebo vybitá (SOC = 5 %). V zime by však slúžil len na akumuláciu prebytkov z FV a prípadné nabíjanie osobných elektromobilov.

Tento dynamický model sa dá použiť na rôzne jazdné profily autobusov v slovenských mestách a rôznu výkonovú konfiguráciu FV systému. Ďalšie parametre navrhnutého systému vidieť v tab. 1.

Tab. 1 Energetická analýza podsystémov pri rôznych úrovniach radiácie

V tab. 2 je prehľad ekonomických a ekologických parametrov prevádzky rôznych typov autobusov. Riadok Vodík-EXT opisuje parametre prevádzky pri čerpaní sivého vodíka z externého zdroja. Tomu prislúcha vyššia cena prevádzky a emisie, keďže nejde o výrobu H₂ z OZE.

Pri doplnení navrhnutého systému čerpacej stanice klesne spotrebované množstvo sivého vodíka, čím sa znížia náklady na prevádzku na úroveň dieselového autobusu, avšak produkované emisie sú 4x nižšie. Najefektívnejším spôsobom je elektrický autobus, keďže má najvyššiu účinnosť premeny energie (95 %), no zabezpečiť denný dojazd 337 km je nereálne.

Tab. 2 Porovnanie spotreby paliva, energie a produkcie emisií autobusov

Riešenie so zahrnutím čerpacej stanice je realizovateľné a zvýšením podielu vodíka z OZE k sivému sa zníži aj cena prevádzky (pod 52 €/100 km) a násobne klesnú emisie. Emisie pri diesli zohľadňujú výrobu a spaľovanie paliva, pri elektrine a vodíku výrobu.

TEXT A OBRÁZKY: Dominik Kvasil

Článok bol uverejnený v časopise TZB 1/2024