Systémy energetického zásobení budoucnosti – palivové články

1. Systémy energetického zásobení budoucnosti – palivové články Emil DvorskýZČU Plzeň, FEL, KEE

2. 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

3. 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.

4. Změna lidských sídel Otevřená , neomezená, propojená Uzavřená branami, fyzicky izolovaná OSTROVY Odolnost? Závislost? Složitost? Zranitelnost? Dnešní město lze „dobýt“ narušením infrastruktury

5. Definice energetického systému 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.

6. 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

7. Nezávislé napájení

8. Závislé mobilní napájení

9. Závislé statické napájení – místní, ostrovní

10. Závislé statické napájení – dálkové, centrální

11. Spolupráce systémů pasivní aktivní

12. 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

13. Palivový článek

14. 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.

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

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

17. 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 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.

18. 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.

19. Závislost napětí a energetické hustoty na zatížení 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

20. 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

21. Konstrukční provedení PČ

22. Alkalické palivové články - Alkali Fuel Cell -AFC 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.

23. Kyselé palivové články - Phosphoric Acid Fuel Cell – PAFC Průchozí iont alkalickým elektrolytem je hydrogenový iont.- Eelektrolyt - kyselina fosforečná. – korozivní. Palivo - natlakovaný čistý vodík.

24. 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.

25. 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.

26. Články s tavenými karbonáty - Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC 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 zároveň produkován reakcemi na anodě. Pro účinný provoz článku je tedy zapotřebí zajistit transport CO2 od anody ke katodě. Značné materiálové opotřebovávání, způsobené vysokými pracovními teplotami.

27. Články s pevnými oxidy - Solid Oxide Fuel Cell - SOFC Vysoká odolnost proti sloučeninám síry. Qxid uhelnatý může být jako součást paliva. Mohou tedy bez problémů používat palivo ze zplynování uhlí. Vysoké úěinnost vlivem vysoké teploty. Pomalé najeetí článku. Hlavní nevýhodou je opět nízká odolnost konstrukčních materiálů vůči vysokým teplotám.

28. Parametry PČ

29. Parametry PČ

30. Řešením jsou ostrovní systémy = Smart Grids

31. 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.

32. Regulace na straně spotřeby SS,RE – řízení spotřeby • Základním předpokladem je, že spotřeba není omezována,ale pouze usměrňována (motivována) obvykle: • technickými prostředky: • hromadné dálkové ovládání (HDO) - řízení spotřeby elektrotepelných spotřebičů. Umožňuje přizpůsobení těchto spotřebičů možnostem ES a ekonomickým potřebám DS • 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

33. Jak docílit fungování SMART GRID Energy Information Communications Energy Information Communications Bridge of Discovery STANDART IEEE

34. SystemovéPodmínky Propojení & Rozhraní Technické Standarty Vhodné Technologie Systémová Integrace Velká elektrárna Distribuční stanice sensors EV Distribuční Systém (Also, larger DER on transmission) Load Management Transmission System sensors sensors Comunikační and Informační Technologie– Information Flow, Data Management, Monitor & Control KombinovanáVýroba Tepla & Elektřiny DER Interconnection sensory Vzájemná provozuschopnost Smart Grid

35. Děkuji Vám za pozornost