Systémy energetického zásobení budoucnosti – palivové články

Emil DvorskýZČU Plzeň, FEL, KEE

Cíle příspěvku

• zanalyzovat funkci energetického zásobitelského systému

• stanovit účelovou funkci energetického systému

• posoudit možnosti decentralizovaného uspořádání

• stanovit podmínky řešení účelové funkce pomocí palivových článků

• zhodnotit možnosti palivových článků

Co očekáváme od energetické sítě?

Když zapneme elektrický spotřebič chceme aby správně fungoval, poskytoval službu kterou od něho požadujeme.Pro jeho funkci musíme zajistit jeho energetické napájení.

Změna lidských sídel

Uzavřená branami, fyzicky izolovanáOSTROVY

Otevřená , neomezená, propojená

Odolnost? Závislost? Složitost? Zranitelnost?

Dnešní město lze „dobýt“ narušením infrastruktury

Definice energetického systému

dopravadoprava spotrebaspotreba

Konecnéformy

Primárnízdroje

výroba, zušlechtení

výroba, zušlechtení

Energetický systém zásobení

Uspokojení požadavků spotřeby v požadované energetické hodnotě a parametrech, v požadovaném čase, s požadovanou spolehlivostí, a pracující s ekologicky přijatelnými vlivy na okolní prostředí, s přijatelnými ekonomickými parametry.

Definice systému

• systém sloužící k určitému cíli = systém zajištující pokrytí energetických požadavků spotřeby elektřiny v daném teritorii

• Pro definování systému je nezbytné vymezit objekt, jeho strukturu, vlastnosti a chování

vstupy výstupy

prvky a jejich vnitřní vazby

SYSTÉM Vnější vazby / vliv na okolí

Vnější vazby / vliv z okolí

Nezávislé napájení

Závislé mobilní napájení

Závislé statické napájení – místní, ostrovní

Závislé statické napájení – dálkové, centrální

Spolupráce systémů

pasivní

aktivní

Energetický zdroj = palivový článek

Princip činnosti palivového článku je shodný s klasickými elektrickými akumulátory, ve kterých probíhá přímá přeměna chemické energie na energii elektrickou. Lze tedy prostřednictví elektřiny z akumulátoru provádět elektrolýzu vody (disociaci vody) na molekuly vodíku a kyslíku

Palivový článek

Bilance PČ

Obrácený elektrolytický proces probíhající v PČ , musí zajistit nepřetržitou dodávku práce pro požadovanou spotřebu, zároveň ze systému vystupuje voda a teplo, které lze využívat pro pokrývání spotřeby tepla nebo ho použít k další transformaci do práce v dalším transformačním systému.

Energetická bilance ideálního vodíko-kyslíkového palivového článku

ElektrolytElektrolyt - iontově vodivý materiál – kationy (+) procházejí z anody na katodu a aniony (-) obráceně. PalivoPalivo - vstupuje na anodu, kde se katalyticky se štěpí na protony a elektrony, nebo reaguje s kyslíkem („oxiduje“).ElektronyElektrony - procházejí zátěží na katodu. Oxidační redukceOxidační redukce – probíhá na katodě , většinou prostřednictvím kyslíku z vnějšího prostředí. Prošlé protony katalyticky reagují s elektrony za vzniku vody.NapětíNapětí - potenciální rozdíl mezi elektrodami ( 0,5 – 0,8 V).Zvýšení napětíZvýšení napětí – sériové propojení článků do svazků stavebnicovým způsobem.Blok PČBlok PČ - svazky se propojojí sériově nebo paralelně podle požadavků na výstupní hodnotu napětí a proudu PČ.

Energetická zisk

Přírůstek hodnoty entalpie (H) vzniklého produktu v soustavě po reakci probíhající při konstantním tlaku, zmenšený o hodnotou přírůstku entropie (S) systému.

H2 O2 H2O

Entalpie [J/(mol.K)] 0 0 -285,83

Entropie [J/(mol.K)] 130,68 205,14

JK 237-STHG

Hodnota elektrické práce

Výkon za daný čas = napětí vzniklé na rozdílu potenciálů elektrod násobené protékajícím proudem přes zátěž. Napěťový rozdíl mezi anodou a katodou = hodnota produkované práce systémem dělená hodnotou náboje elektronů

VnF

GU

Voxa

redaln

nF

RT

oxa

redaln

nF

RTEEEEU

2

2

1

102

0121

E – elektrodový potenciál (V)E0 – standardní elektrodový potenciál, úměrný použité elektrodě (V),R – universální plynová konstanta (8,314 J·mol-1·K-1),a – aktivita (součin aktivitního koeficientu a molární koncentrace),1, 2 - indexy jednotlivých poločlánků.

Připojení zátěže = proudová hustota

•Připojením zátěže začne protékat proud a začne se měnit hodnota elektrodových potenciálů.•Tato odchylka od napětí na prázdno se nazývá přepětí (η [V]) na anodě a katodě (způsobené odporem kladené hmotě – kinetické ztráty, ...). •Rozdílové napětí klesne.•Kromě tohoto přepětí vznikají ještě přepětí vlivem ohmických odporů.

U(I) = OCV - I(RE+ RC+RA) - C - A

(RE+ RC+RA)OCV

C

A

proud clánku I [mA/cm2]nap

etíc

lánk

uU

(I)

[V]

Jiné ztráty = Prepetí

U(I) = OCV - I(RE+ RC+RA) - C - A

(RE+ RC+RA)OCV

C

A

proud clánku I [mA/cm2]nap

etíc

lánk

uU

(I)

[V]

Jiné ztráty = Prepetí

Závislost napětí a energetické hustoty na zatížení

(1)

(2)

(3)0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

900°Cteplota vody

Proudová hustota [A/cm2]

Nap

etí[

V]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Energ

etickáhustota

[W/cm

¨ 2]

Zatížení PČ se může pohybovat od napětí naprázdno – bod (1), do napětí nakrátko (3). Optimální hodnota zatížení článku je pak dána maximální velikosti plochy pod voltampérovou charakteristikou PČ, což representuje maximální hodnotu energetické hustoty bod (2). (zatížitelnosti = účinnosti využití článku) výkonového zatížení

Jednotlivé typy palivových článků

• Konstrukční parametry– typ použitého elektrolytu– druh elektrod– typy vodíkových paliv– proudová hustota– provozní teplota– energetická hustota = objemem potřebný pro zajištění

výkonu s příslušnou měrnou hmotností• Provozní parametry

– výkonové rozmezí– provozní charakteristiky – účinnost, vliv teploty

Konstrukční provedení PČ

p a liv o

v y h o ře lé p a liv oa p ly n n é p ro d u k ty

v y u ž itý o x id a n ta p ly n n é p ro d u k ty

o x id a n t

k a to d aa n o d a e lek tro ly t

Alkalické palivové články - Alkali Fuel Cell -AFC

to ke le k tro n ů

k y s lík

k a to d aa n o d ae le k tro ly t

z á tě ž

v o d ík

v o d a h y d ro x y lo v éio n t y

Průchozí iont alkalickým elektrolytem je hydroxylový iont OH-.Eelektrolyt - hydroxid draselný. Palivo - natlakovaný čistý vodík.Pomalá katodová reakce.Malá energetickí hustota – velký objem a hmotnost.

Kyselé palivové články - Phosphoric Acid Fuel Cell – PAFC

Průchozí iont alkalickým elektrolytem je hydrogenový iont.-

Eelektrolyt - kyselina fosforečná. – korozivní.Palivo - natlakovaný čistý vodík.

Membránové palivové články - Proton Exchange Membrane- PEMFC.

Průchozí iont alkalickým elektrolytem je hydrogenový iont.Elektrolyt - pevné nekorozivní iontoměničové membrány.Velkou energetická hustota při menší váze a objemu ve srovnání s ostatními typy. Elektrody – platinové na obou elektrodách.Citlivost na oxid uhelnatý.Palivo – čistý vodík.Vysoušení membrán – vodíkové ionty odnášejí vodu.

Přímé metanolové palivové články

Jejich výroba je levnější a jednodušší.Průchozí iont alkalickým elektrolytem je hydrogenový iont.Elektrolyt - pevná nekorozivní iontoměničová membrána.Vysoká energetická hustota při menší váze a objemu ve srovnání s ostatními typy. Elektrody – platinové na obou elektrodách doplněné komponenty zajišťující oxidaci oxidu uhelného na uhličitý.Citlivost na oxid uhelnatý.Palivo – metanol.Vysoušení membrán – nepůsobí metanol obsahuje vodu.

Články s tavenými karbonáty - Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC

k a to d aa n o d ae le k tro ly t

k y s lík

to ke le k tro n ů

v o d ík

v o d a

z á tě ž

k y s lič n íku h lič itý

C a r b o n o v etro jm o cn éio n t y

Elektrolyt - směsí tavených karbonátů alkalických kovů .Inoty . karbonátové trojmocné.Vysoká pracovní teplta – nemusí být platinové katalyzátory, ani reformovací zařízení.Oxid uhličitý - je součást paliva, je využíván při katodické reakci, ale je zároveňprodukován reakcemi na anodě. Pro účinný provoz článku je tedy zapotřebí zajistit transport CO2 od anody ke katodě.Značné materiálové opotřebovávání, způsobené vysokými pracovními teplotami.

Články s pevnými oxidy - Solid Oxide Fuel Cell - SOFC

k a to d aa n o d ae le k tro ly t

k y s lík

v o d a

v o d ík

z á tě ž

to ke le k tro n ů

k y s lík o v éio n t y

Vysoká odolnost proti sloučeninám síry.Qxid uhelnatý může být jako součást paliva. Mohou tedy bez problémůpoužívat palivo ze zplynování uhlí.Vysoké úěinnost vlivem vysoké teploty.Pomalé najeetí článku.Hlavní nevýhodou je opět nízká odolnost konstrukčních materiálů vůči vysokým teplotám.

Parametry PČ

Parametry PČ

Řešením jsou ostrovní systémy = Smart Grids

Pojem SMART ve vztahu k elektrickým sítím

• Má spoustu významů, v daném pojetí asi bude nejbližší význam chytrý, inteligentní, šikovný a také programovatelný!

• Jak ale může být elektrická síť chytrá, inteligentní?

• Samozřejmě je to tak trochu nadsázka, ale kus inteligence v jejím chování ji může přisoudit.

Regulace na straně spotřeby SS,RE – řízení spotřeby

• Základním předpokladem je, že spotřeba není omezována,ale pouze usměrňována (motivována) obvykle:

1. technickými prostředky:• hromadné dálkové ovládání (HDO) - řízení spotřeby

elektrotepelných spotřebičů. Umožňuje přizpůsobení těchto spotřebičů možnostem ES a ekonomickým potřebám DS

2. ekonomickými nástroji:– tarifování elektřiny ( cena elektřiny není jednotná v průběhu

diagramu zatížení, ale rozdělena do tarifních pásem), které zvýhodňují odběr v obdobích, kdy je to z hlediska celé ES výhodné.

• Prostředky pro řízení spotřeby lze rozdělit na:• Přímé

– HDO– akumulátory elektřiny– nouzové prostředky

» regulační plán» vypínací plán» automatické frekvenční odlehčování podle frekvenčního plánu

• Nepřímé:– programy úspor energie a zlepšení účinnosti elektrických spotřebičů

a systémy tarifů za elektřinu

Jak docílit fungování SMART GRID

EnergyInformationCommunications

EnergyInformationCommunications

Bridge of Discovery

STANDART IEEE

Vzájemná provozuschopnost Smart Grid

Distribuční Systém

Comunikační and Informační Technologie – Information Flow, Data Management,

Monitor & Control

Distribuční stanice

DER Interconnection

Velká elektrárna

Kombinovaná Výroba Tepla & Elektřiny

Load Managementsensors

sensory

(Also, larger DER on transmission)

sensors

sensors

Systemové Podmínky Propojení & Rozhraní Technické StandartyVhodné Technologie Systémová Integrace

Transmission System

EV

Děkuji Vám za pozornostDěkuji Vám za pozornost