titAkumulácia energie je dôležitou súčasťou problematiky alternatívnych zdrojov energie. Systémy pre akumuláciu energie na báze vodíkových technológií majú veľký potenciál v blízkej budúcnosti dosiahnuť rozsiahlejšie uplatnenie v spojitosti s alternatívnymi zdrojmi, ktoré síce majú nestabilnú a nespoľahlivú dodávku elektrickej energie, ale ich inštalovaný výkon sa neustále zvyšuje.


Systémy akumulácie energie vo forme vodíka sú založené na využívaní alternatívneho zdroja energie (slnečná, veterná, vodná energia a pod.) ako primárneho zdroja pre proces výroby vodíka formou elektrolýzy vody a pre jeho následné uskladnenie. Takto akumulovaná energia môže byť neskôr premenená oxidáciou vodíka na iný druh energie, napríklad elektrickú, mechanickú či tepelnú. K oxidácii môže dochádzať buď priamym spaľovaním v spaľovacom motore, resp. riadeným elektrochemickým procesom v palivovom článku.

Skladovateľnosť a distribúcia
Akumulácia energie vo forme vodíka je veľmi dôležitou zložkou systému vodíkového hospodárstva. Veľmi nízka hmotnosť, malé molekuly a široká medza výbušnosti vodíka predstavujú negatívne faktory, ktorých dôsledkom je náročné skladovanie a distribúcia tohto paliva. Vodík má síce oproti ostatným palivám vyššiu výhrevnosť, ale systémy na jeho uskladnenie sú rozmernejšie, ťažšie a náchylnejšie na mechanické poškodenie, v porovnaní s energeticky adekvátnymi systémami na uskladnenie fosílnych palív.
Zatiaľ čo elektrolýza vody je kľúčom k funkčnosti celého systému, efektívne uskladnenie vodíka je kľúčom k jeho implementácii v praktických aplikáciách. Ak by sa vodík mal stať konkurencie schopným energetickým médiom, je potrebné aby spôsob jeho uskladnenia kombinoval náklady, životnosť, montáž a ostatné faktory v takej miere, ktorá je prijateľná pre danú aplikáciu.

Uskladňovací materiál by mal byť natoľko stabilný, aby bolo možné naplniť a vyriešiť problematiku v oblasti:
• akumulácie potrebného množstva vodíka,
• uvoľnenia akumulovaného množstva vodíka,
• uvoľnenie vodíka je potrebné vykonať dodaním určitého množstva energie, ktorá nebude predstavovať neprimerané sekundárne požiadavky na celý systém,
• uvoľnenie vodíka musí byť technicky prepojiteľné na ďalšie časti systému (vhodný tlak, požadovaná čistota vodíka, rýchlosť prísunu paliva do palivového článku a pod.),
• materiál musí byť schopný regenerácie,
• regenerácia musí byť pre určitý počet cyklov stabilná.
Z uvedeného vyplýva, že celý proces použitia materiálov na akumuláciu vodíka je ovplyvnený kapacitnými možnosťami (objem, hmotnosť) daného materiálu akumulovať vodík v spojitosti s termodynamikou a kinetikou celého procesu.

Systém akumulácie slnečnej energie vo forme vodíka
Systém akumulácie energie vo forme vodíka je založený na využívaní slnečného žiarenia ako primárneho zdroja pre proces výroby vodíka formou elektrolýzy vody. Slnečné žiarenie závisí od mnohých faktorov, ako je geografická poloha, ročné obdobie, oblačnosť a uhol dopadajúceho žiarenia.
Na výskumnom pracovisku Katedry energetickej techniky Strojníckej fakulty Technickej univerzity v Košiciach bol v apríli 2014 spustený do prevádzky laboratórny akumulačný systém na báze vodíkových technológií („Laboratórium vodíkových technológií“).
Systém akumulácie slnečnej energie vo forme vodíka je uvažovaný ako komplexné zariadenie slúžiace na výrobu elektrickej energie na báze kombinácie slnečnej energie a vodíka, ktoré je možné prevádzkovať bez zapojenia konvenčných zdrojov energie založených na fosílnych a jadrových palivách (obr. 1).

obr1
Obr. 1: Systém akumulácie slnečnej energie pomocou vodíkových technológií

 

Energia slnečného žiarenia je transformovaná na elektrickú prostredníctvom fotovoltických panelov, ktoré sú umiestnené na oceľovej konštrukcii nad strechou objektu Laboratória vodíkových technológií s vektorom plochy orientovaným na juhozápadnú stranu (obr. 2). Fotovoltický systém pozostáva z 12 kusov panelov SanyoHIT250.
Ide o hybridný fotovoltický (FV) panel, v ktorom je monokryštalický kremík potiahnutý vrstvou amorfného kremíka. Kombinácia monokryštálu s amorfným kremíkom umožňuje efektívnejšiu transformáciu slnečného žiarenia, hlavne jeho difúznej zložky a je charakteristická priaznivým teplotným koeficientom, teda v letných mesiacoch pri vyšších teplotách nedochádza k zníženiu účinnosti zohrievaním panela. Amorfné panely vykazujú dostatočnú účinnosť aj za zhoršených svetelných podmienok.

obr2
Obr. 2: Systém fotovoltických panelov

 

FV panely sú zapojené v dvoch stringoch po šesť panelov, každý s výkonom 250 Wp (celkový výkon 3 000 Wp). Vzájomné prepojenie FV panelov je sériovo-paralelné kvôli zabezpečeniu dostatočného napätia nabíjania batérií, ako aj pre zníženie napäťových strát.
Elektrická energia je akumulovaná do batérií, resp. sa ďalej spotrebuje v elektrolyzéri na výrobu vodíka. Batérie sú bezúdržbové s elektrolytom fixovaným v sklenenom vlákne AGM, typu Hopecke 12V135. Dve batérie sú zapojené do série s celkovou menovitou kapacitou 135 Ah a elektrickou kapacitou 3,24 kWh. Pri reálnej prevádzke je však táto kapacita nedosiahnuteľná, pretože s narastajúcim prúdovým zaťažením batérie pri vybíjaní klesá jej využiteľná energia. Pokles je závislý od vnútorného elektrického odporu. Pri kontinuálnom vybíjaní po dobu 10 hodín klesá kapacita batérie na 2,76 kWh. V hraničnom prípade, keď nie je k dispozícii slnečná energia a odber elektriny je realizovaný iba z batérií, klesá využiteľná energia ešte viac.
Batérie sú dobíjané iba z FV panelov, pričom je vylúčená možnosť ich dobíjania z palivových článkov. Pri prechodnom obmedzení výroby elektrickej energie z FV panelov vplyvom meteorologických podmienok batérie dokážu pokryť potrebu elektrolyzéra na približne jednu hodinu prevádzky pri plnom zaťažení.
Nabíjanie batérií je zabezpečované striedačmi SunnyIsland 2224 (obr. 3), ktoré udržujú stabilnú frekvenciu ostrovnej siete. Dokážu usmerniť prebytočnú energiu do batérií, ale aj zostriedať elektrickú energiu z batérií do ostrovnej siete.
Jednosmerný elektrický prúd prechádza do striedača SunnyBoy5000, ktorý sa pripája na ostrovnú sieť, ktorej napätie je udržiavané pomocou OFF-Grid Baterry Inverter type 2224 (obr. 4), ktorý umožňuje prifázovanie transformovanej energie na ostrovnú sieť. Jeho maximálny výkon je 5 kW.
Hlavnou úlohou panelov a striedačov je transformovať slnečnú energiu na elektrickú, ktorá sa využíva na napájanie elektrolyzérov. Pre správnu funkciu generátora je potrebné zabezpečiť plynulú dodávku deionizovanej vody, ktorá sa pripravuje v deionizátore SolPure 7 (obr. 5).

obr3 obr4
Obr. 3: Napojenie batérií Hopecke na striedače SunnyIsland Obr. 4: Striedač SunnyBoy

 

Z ostrovnej siete sú napájané všetky zariadenia potrebné na výrobu vodíka spolu s podpornými zariadeniami, ktoré sú potrebné pre autonómnu prevádzku. Primárnym spotrebičom energie je vysokotlakový alkalický elektrolyzér Nitidor H2. Laboratórium je vybavené dvoma elekrolyzérmi (obr. 6). Produkcia jedného elektrolyzéra je 0,5 Nm3•h-1 o tlaku 2 MPa. Účinnosť elektrolyzéra predstavuje 58,5 % a jeho príkon je 3 kW.
Vodík produkovaný počas elektrolýzy má čistotu 99 obj. %. Následne prechádza sušiacou jednotkou, katalytickým spaľovaním zvyškového kyslíka a opätovne druhou sušiacou jednotkou využívajúcou adsorpciu vodných pár. Vodík ktorý vychádza zo zariadenia, má čistotu 99,85 obj. % a následne je transportovaný potrubím na ďalšie spracovanie.

obr5 obr6
Obr. 5: Deionizátor vody SolPure Obr. 6: Elektrolyzéry H2 Nitidor

 

Produkovaný vodík sa delí na majoritnú časť dodávanú do MH zásobníka Hbond 9000 (obr. 7) a malé množstvo prechádza do analyzátora (pomer sa nastavuje dávkovacím ventilom). Ten má zabudovaný senzor na meranie obsahu kyslíka, pričom ak sa presiahne jeho limitná hodnota, dôjde k celkovému vypnutiu systému. Súčasťou zariadenia je aj záložný zdroj energie, ktorý umožňuje núdzové vypnutie pri neočakávanom výpadku napätia v sieti. Majoritná časť vodíka prechádza cez hmotnostný prietokomer typu Bronkhorst F-111B-10K-AGD-33-V do metalhydridového zásobníka naplneného 56 kg zliatiny La0,85Ce0,15Ni5, do ktorej sa absorbuje vodík. Meranie tlaku je realizované snímačom DMP-331. Kapacita zásobníka je 9 m3 vodíka, čo pri veľmi nízkej hustote predstavuje hmotnosť 0,80892 kg H2.

obr7 obr8
Obr. 7: Metalhydridové zásobníky Hbond 9000 Obr. 8: Rozvodný systém

 

Pri absorpcii vodíka do zliatiny dochádza k uvoľňovaniu tepla, ktoré je nutné počas procesu odvádzať chladičom. V prípade, že nedochádza k chladeniu zásobníka, tlak plynu prudko stúpa, a aj pri malom uskladnenom množstve presiahne povolenú hodnotu 1,5 MPa, danú výrobcom. Naopak, pri desorpcii vodíka je potrebné dodávať rovnaké merné teplo, aby nedošlo k značnému zníženiu tlaku, čo by viedlo aj k zníženiu kinetiky uvoľňovania vodíka.
Vyrobený a uskladnený vodík je podľa potreby ostrovnej prevádzky (na základe riadiaceho systému) možné použiť ako palivo pre nízkoteplotný PEM palivový článok DEA0.5 (obr. 9).

obr9
Obr. 9: Palivový článok

 

Menovitý výkon palivového článku je 500 W pri napätí 14 V. Na výrobu elektrickej energie potrebuje tento modul aj kyslík, ktorý sa privádza z okolitého vzduchu.
Prevádzka palivových článkov je podmienená nedostatočným osvetlením FV panelov pri súčasnej nízkej kapacite záložných batérií. V takejto situácií je napájanie ostrovnej siete zabezpečené práve z palivových článkov. Kontinuálna dodávka elektrickej energie do záťaže ostrovnej siete je podľa potreby zaisťovaná FV panelmi, batériami alebo z modulu palivových článkov.
Bezpečnosť laboratória je zabezpečená vzduchotechnickým zariadením na odsávanie a cirkuláciu vzduchu na zamedzenie vzniku výbušnej zmesi. Laboratórium je vybavené výkonným odsávacím zariadením spolu s niekoľkými detektormi uniknutého vodíka už od koncentrácie 20 ppm. Pri detekcii sa zapne výstražný systém a spustí sa odsávanie na plný výkon. V rámci riadiaceho systému sa pracuje na koncepcii plnoautomatickej prevádzky s možnosťou diaľkového riadenia.

Merací a riadiaci systém
Merací systém umožňuje merania elektrických a neelektrických veličín jednotlivých komponentov akumulačného systému s vizualizáciou na PC a ich archiváciou (obr. 10 a 11). Merací systém sa skladá z meracích snímačov, ktoré sú prepojené na softvérovú aplikáciu v prostredí LabView (obr. 12).

obr10
Obr. 10: Velín vodíkového akumulačného systému

 

Systém zaznamenáva tieto parametre:
• elektrické veličiny a prietoky elektrolyzéra spolu s chybovými hláseniami a varovaniami,
• prevádzkové veličiny palivových článkov, ktoré sú z dôvodu autorských práv separátne zaznamenávané pomocou softvéru FUEL CELL SUPERVISOR,
• prietoky, tlaky a teploty rozvodného systému vodíka,
• hlásenia z detektora úniku vodíka,
• elektrické veličiny z jednotlivých vetiev zapojenia (FV panely, batérie, vlastná spotreba, distribučná sieť, ostrovná sieť, palivové články).

V rámci riadiaceho systému sa pracuje na koncepcii plnoautomatickej prevádzky s možnosťou diaľkového riadenia.

obr11
Obr. 11: Vizualizácia vodíkového akumulačného systému
obr12
Obr. 12: Vizualizácia vodíkového akumulačného systému v prostredí LabView pre elektrolyzér


Princíp a funkcia akumulačného systému
Akumulačný systém môže pracovať od začiatku dňa, keď postupne narastá výkon FV panelov a uskutočňuje sa dobíjanie batérií. Záťaž môže byť napájaná z modulu palivových článkov, ktorý spotrebováva vodík uskladnený v metalhydridových zásobníkoch. V okamihu, keď výkon FV panelov dosiahne potrebný výkon (vyhodnotenie vykoná riadiaci systém), dôjde k vypnutiu modulu palivových článkov a napájanie záťaže je plne pokryté FV systémom.
Prípadné výkyvy dodávanej elektrickej energie pokryjú batérie. Vo chvíli ich plného dobitia riadiaci systém zapne elektrolyzér a začne sa vyrábať vodík. FV panely v tomto prípade dodávajú elektrickú energiu do záťaže aj elektrolyzéra. Táto prevádzka funguje do doby, keď poklesne intenzita slnečného žiarenia pod stanovenú medzu.
Značnú variabilitu umožňuje aj možnosť prevádzky elektrolyzéra v rozmedzí 20 až 100 % menovitého výkonu. Tým sa dosiahne požadovaná flexibilita prevádzky aj pri nízkych výkonoch FV panelov. Cez noc je možné záťaž napájať najprv z batérií a v okamihu, keď poklesne napätie batérií pod limitnú hodnotu, je do systému pripojený modul palivových článkov. Ten z uskladneného vodíka opäť vyrába elektrickú energiu a prostredníctvom meničov ju dodáva do záťaže.

Záver
Otázka akumulácie energie je dôležitá predovšetkým v kontexte jej využitia v praktických aplikáciách. Alternatívne, resp. obnoviteľné zdroje energie (OZE), majú pozitívny vplyv na environmentálne prostredie okolo nás. Využitie OZE (napr. slnečnej, vodnej, veternej, geotermálnej energie a pod.) je limitovaná geografickými podmienkami danej lokality a obmedzeniami bilancie OZE vo vzťahu teoretického a reálne využiteľného potenciálu týchto zdrojov. Limitujúcim faktorom je výkonová hustota OZE. V podmienkach Slovenska má teoreticky využiteľný potenciál slnečná a veterná energia, ale ich výkonové hustoty sú všeobecne veľmi nízke, čo súvisí s nárastom rozmerov zariadení slúžiacich na koncentráciu rozptýleného energetického toku a jeho následné využitie na premenu na elektrickú energiu.
Výroba elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov energie je poznamenaná nerovnomernosťami spôsobenými nestálymi prírodnými podmienkami, ktoré predstavujú záťaž pre elektrizačnú prenosovú a distribučnú sústavu. Na zvýšenie variability výkonu obnoviteľných zdrojov je možné vyrábanú elektrickú energiu uskladniť. Elektrická energia môže byť uskladnená iba vtedy, ak sa prevedie na inú formu energie. Práve vodíkové technológie slúžia na akumuláciu energie vyrobenej z alternatívnych zdrojov pri ich nestálom výkone priamo na mieste spotreby. Systémy využívajúce alternatívne zdroje energie prepojené s elektrolyzérmi poskytujú určitú flexibilitu, keďže výstupom môže byť elektrická energia alebo samotný vodík.
Vodík ako médium na uskladnenie energie môže zohrávať významnú úlohu pri intenzívnejšom využívaní obnoviteľných zdrojov energie.
Výroba vodíka z alternatívnych zdrojov energie a jeho akumulácia si vyžadujú neustály vývoj smerujúci k snahe znížiť energetickú náročnosť a náklady technologických zariadení. Očakáva sa, že v nasledujúcich desaťročiach vodík vyrábaný z OZE vstúpi ako konkurencie schopné energetické médium jednak do oblasti dopravy, priemyslu, ako aj do komunálnej sféry, predovšetkým v kontexte znižovania emisii a zvyšovania diverzifikácie zdrojov energie na zabezpečenie požadovaného dopytu predovšetkým po elektrickej energii na mieste jej spotreby.

TEXT/FOTO: Tomáš BRESTOVIČ a kol., Technická univerzita, Košice
Ďalší spoluautori: Natália JASMINSKÁ, Marián LÁZÁR, Ľubica BEDNÁROVÁ, Lukáš TÓTH

Poďakovanie
Tento príspevok vznikol s finančnou pomocou grantovej agentúry APVV v rámci projektu APVV-15-0202 grantovej agentúry VEGA v rámci projektu VEGA 1/0108/19 a grantovej agentúry KEGA v rámci projektu KEGA 005TUKE-4/2019.

Použitá literatúra
[1] Acar, C., Dincer, I.: Comparative assessment of hydrogen production methods from renewable and non-renewable sources. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 39, Issue 1, 2014, p. 1 - 12.
[2] GANDIA, L. M., ARZAMEDI, G.: Renewable Hydrogen Technologies: Production, Purification, Storage, Applications and Safety Hardcover 2013. 472 pages. ISBN 978-0444563521
[3] GUPTA R., BASILE, A.: Compendium of Hydrogen Energy: Hydrogen Storage, Transportation and Infrastructure. 2015 Woodhead Publishing. 438 p. ISBN 978-1782423621.
[4] BESSARABOV, D., WANG, H., LI, H., ZHAO N.: PEM Electrolysis for Hydrogen Production: Principles and Applications. 2015 by CRC Press. 389 pages. ISBN 9781482252293.
[5] GRIMES, C. A., VARGHESE, O. K., RANJAN, S.: Photovoltaic – Electrolysis Cells. 2008. Springer. 516 pages. ISBN 978-0-387-33198-0.
[6] JASMINSKÁ, N., BRESTOVIČ, T.: Possibilities of hydrogen storage. In: Elektroenergetika. Košice: TU, 2013, s. 218-221. ISBN 978-80-553-1441-9.
[7] JASMINSKÁ, N., BRESTOVIČ, T.: Vodík – alternatívny zdroj energie budúcnosti. In: Týden vědy, výzkumu a inovací pro praxi .Praha: CEMC, 2013, s. 1-6. ISBN 978-80-85990-22-5.
[8] Mazloomi, S. K., Sulaiman, N.: Influencing factors of water electrolysis electrical efficiency. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol.16, Issue 6, 2012, p. 4 257 - 4 263.