Využití palivových článků a vodíkových technologií ÚJV Řež, a. s. Využití palivových článků a vodíkových technologií Aleš Doucek 16.12.2013

Oddělení vodíkových technologií Akumulace energie setrvačníky, ultrakapacitory, akumulátory systémy na bázi vodíkových technologií Výzkum a vývoj vodíkových technologií alkalická elektrolýza vysokoteplotní elektrolýza Řešení pro klasickou energetiku a teplárenství záchyt a ukládání CO2 úprava spalin (SO2, NOx...) akumulace tepla pro teplárenství energetické využívání odpadů

Akumulace energie Pro dopravu Obnovitelné zdroje Podpůrná služba sítě K čemu vodík? Akumulace energie Obnovitelné zdroje Podpůrná služba sítě Pro dopravu Bezemisní provoz Nezávislost na dovozech ropných paliv Rychlé tankování Vysoká účinnost

Projekty ÚJV Řež, a. s. Úspěšně dokončené TriHyBus – Trojitě hybridní vodíkový autobus (konsorcium Škoda Electric, Proton Motor ad.) Realizace první vodíkové čerpací stanice v ČR (Neratovice, dodavatel Linde Gas) ZEMSHIP – Zero Emission Ship (Hamburg)

TriHyBus Autobus s vodíkovým pohonem

Čerpací stanice vodíku Parametry Stlačený plynný vodík Plnící tlak 40 MPa Zásobník 125 kg H2 Doba plnění 10 min Připraveno na 70 MPa Zásobování Linde Gas Plnící rozhraní TK-16 a TK-25

Zero Emission Ship Hamburg

Oblasti využití Stacionární aplikace (vysokoteplotní FC, spalovací motor, turbína) Výkony od 10 kW do jednotek MW Záložní zdroje el. energie Kombinované zdroje el. energie a tepla Odlehlé oblasti, Vysokoteplotní palivové články Mobilní aplikace (nízkoteplotní FC, spalovací motor, turbína) Výkony od mW do 100 kW Doprava Osobní automobily Autobusy Specifické dopravní prostředky, vysokozdvižné vozíky apod. (prostředky z důrazem na lokální čistý provoz) Ponorky Lodní doprava Přenosné zdroje el. energie Malá elektronická zařízení

Stacionární zařízení

OZE Fotovoltaika inst. výkon 1 971 MW (12/2011), v 2011 bylo vyrobeno 2 182 018 MWh 0,3 % FVE má inst. výkon nad 5 MWe (většina pod 10 kWe) Větrné elektrárny inst. výkon 223 MW (3/2012) v 2011 vyrobeno 397 003 MWh cca ½ elektráren výkon nad 5 MWe cca ½ el. výkon v rozmezí 1-5 MWe

Fotovoltaické elektrárny 10

Příklady akumulace energie Setrvačníky Ultrakapacitory

Srovnání způsobů akumulace Technologie Výkon Energie Účinnost Počet cyklů Čas akumulace (řádově) Cena MW MWh % tis. USD/kW USD/kWh Ultrakapacitory 1 0,1 75-95 500 sekundy - minuty 25-50 10000 - 20000 Setrvačníky 10 90 1000 minuty - hodiny 1000 - 3000 Baterie 40 250 50 - 90 5 75-150 1000 - 2000 Flow-baterie 15 60 - 90 hodiny - dny 3000 320 Vodíkové technologie 6 70 25 - 35 hodiny - týdny 4000 <300

Návrh a realizace experimentálního zařízení 13

Akumulace do vodíku v ÚJV Řež Zásobník vodíku Elektrolyzér Palivový článek

Parametry budovaného systému akumulace Zařízení Parametr Hodnota Fotovoltaické panely Výkon 12 kWp Li-Ion baterie Kapacita 45 Ah (2,2 kWh) Elektrolyzér s protonvýměnnou membránou Příkon 6,3 kW Palivový článek PEM 4 kW Zásobní nádrž vodíku Skladované množství 10 kg (při 5 – 15 bar) 15

Shrnutí Elektrolyzér Hogen 6,3 kW Výstupní tlak max. 15 bar

Shrnutí Palivový článek Fronius Palivový článek Palivo: Vodík 5.0 Vstupní tlak : 5-15 bar Spotřeba vodíku: menší než 1,7 Nm3/h Elektrické parametry : DC výstupní výkon : 4 kW Výstupní napětí. 48-56V Účinnost : 47 %

Blokové schéma FV elektrárna , která slouží jako zdroj energie pro výrobu vodíku v elektrolyseru. Je rozdělena na dvě sekce , první sekce je zdrojem pro elektrolyser a druhá sekce je zdroj elektrické energie pro krátkodobé skladování energie v bateriích . Poměr obou sekcí je možné pro účely modelování jednoduše změnit. Jsou použity standardní moduly polykrystalické o výkonu modulu 230 Výrobce je Gloria Solar. Pro krátkodobé skladování elektrické energie jsou využívány baterie typ loin. K řízenému nabíjení je je použit nabíječ a na přeměnu stejnosměrné energie na střídavou pak střídač Xantrex 6000. Energie z druhé sekce FV je využita k napájení elektrolyseru Hogen o výkonu 4 kW. Vodík na výstupu je jímán do nádrže o velkosti 10 m3. Takto skladovaný vodík může být využit v výrobě elektrické energie v době kdy sluníčko nesvítí, tj. např. v noci a v zimě. V řídicí jednotce jsou sbírány rozhodující data a parametry procesu což umožní modelovat optimální proces z hlediska budoucího využití vodíku ke skladováná elekrické energie. Samozřejmě vodik z nádrže může být přímo využit k pohonu vozidel . Palivový článek umožnuje vyrobit elektrickou energii z vodíku v době kdy to je potřeba. Na výstupu palivového článku je napětí 48 V , k přeměně na střídavé napětí slouží střídač Studer 4000. Ke stabilizaci výstupního napětí palivového článku slouží standardní baterie . Celý syystém je řízen vlastní řídící jednotkou.

Výsledky simulace Příklad: pětidenní období

Fotovoltaická elektrárna Řež Fotovolatická elektrárna instalovaný výkon: 13,8 kWp Moduly: polykrystal typ Gloria 230 W Účinnost modulů: 14,05 % Očekávaná roční produkce elektrické energie: Kontrukce : Schletter neinvazivní Střídače: - Studer 4000/48 účinnost : 96 % - Xantrex 6000 účinnost : 95,4 % 20

Alkalická elektrolýza Současný stav Cílový stav

Výsledky matematického modelu Denní běžné disproporce vyšší produkci energie v poledne a její nedostatek večer potřebné množství vodíku cca 0,3 kg/den. Dlouhodobější nízký výkon FVE období zpravidla ne delší než 7 – 10 dní potřebné množství vodíku cca 2 kg H2 (v zimě 4 kg)

Shrnutí Vodík lze efektivně využívat Vodík lze vyrábět jako nosič energie pro energetiku i dopravu (snižování energetické závislosti) jako médium pro skladování a transport energie pro regulaci výkonu obnovitelných zdrojů energie v chemickém průmyslu Vodík lze vyrábět z fosilních paliv konvenčními způsoby (omezené zásoby, produkce CO2, nízké náklady) z obnovitelných zdrojů štěpením molekuly vody nízkoteplotní elektrolýza vysokoteplotní elektrolýza termochemické cykly

Vodíkové hospodářství Výhled do budoucnosti Vodíkové hospodářství Je potřeba zajistit udržitelnou výrobu vodíku Možnost nahrazení energie dovážené v podobě ropných paliv z vlastních zdrojů Vodíkové technologie jsou do značné míry připraveny nahradit fosilní paliva v dopravě Další výzkum a vývoj je nezbytný (zvyšování životnosti, snižování cen) Čisté technologie

Děkuji za pozornost Aleš Doucek, dck@ujv.cz, 266 172 472 27