Przyszłość ogniw paliwowych SOFC – czy pomogą w transformacji energetycznej?

Energia potrzebna do produkcji prądu w ogniwach nie musi być wcześniej w nim magazynowana, ponieważ ogniwo działa tak długo, jak dostarczane jest do niego paliwo. Użyty do tego może być tak zwany zielony wodór - wodór produkowany w procesie elektrolizy, zasilanej energią pochodzącą z odnawialnych źródeł energii. Umożliwia to magazynowanie nadwyżek energii pochodzących ze słońca, wiatru czy wody w neutralnym dla klimatu wodorze, maksymalnie ograniczając emisję gazów cieplarnianych.

Upraszczając zasadę działania ogniwa paliwowego, można powiedzieć, że dostarczając do niego wodór oraz powietrze, otrzymujemy energię elektryczną i czystą wodę jako produkt uboczny. Ogniwa pracują bezgłośnie, więc mogą być zainstalowane w dowolnym pomieszczeniu. Standardowa duża butla z wodorem zapewnia pracę systemu o mocy 1 kW przez 8 godzin. Konwersja energii w ogniwach następuje przy wysokiej sprawności energetycznej i niewielkim negatywnym oddziaływaniu na środowisko. W tym materiale skupimy się na ogniwach typu SOFC, ponieważ dzięki swoim parametrom pracy mogą znaleźć zastosowanie zarówno w przemyśle ciężkim, jak i w miejscach poza siecią. 

Zdecentralizowany system ogniw paliwowych 

Zaopatrywanie użytkowników w energię przyszłości często jest kojarzone z wykorzystywaniem małych, zdecentralizowanych źródeł energii. Takie rozwiązanie można uzyskać wykorzystując ogniwa paliwowe typu SOFC (ang. Solid Oxide Fuel Cell). Są to ogniwa ze stałym tlenkiem jako elektrolitem, a ich temperatura pracy to 600-1000°C. Tak duża temperatura robocza daje wiele możliwości zastosowania ciepła produkowanego podczas jego pracy – między innymi do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Technologia ta jest więc skrojona do zastosowań, które wymagają, aby wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła było nie tylko wysoce wydajne, ale także niezależne od sieci. Mogą być więc wykorzystywane w dzielnicach miejskich, zakładach przemysłowych czy też w regionach, gdzie nie ma bezpośredniego dostępu do sieci. Paliwem wykorzystanym w ogniwach najczęściej jest wodór, jednakże jest ono zdolne pracować również na gaz ziemny, czy biometan, co zapewnia elastyczność urządzenia.

• Zobacz również: Porsche rozpoczęło produkcję e-paliwa. Czy zastąpi ono tradycyjne paliwo?

Jaką sprawność ma ogniwo SOFC?

W 2021 roku firma Bosh zaprezentowała rozwiązanie wykorzystujące zalety ogniwa paliwowego typu SOFC. Na dworcu autobusowym w niemieckim mieście Bamberg została zainstalowana mikroelektrownia wielkości lodówki. System jest w stanie wytworzyć około 87 MWh energii elektrycznej w ciągu roku, co wystarcza na zaspokojenie rocznego zapotrzebowania ponad 20 czteroosobowych gospodarstw domowych w sąsiedztwie dworca autobusowego. Przy całkowitej sprawności 60% w zakresie wytwarzania energii i ponad 85% przy dodatkowym wykorzystaniu ciepła, to stacjonarne ogniwo paliwowe wyraźnie przewyższa inne konwertery energii tej wielkości. Ponadto wytwarzane przez nią ciepło jest wykorzystywane przez piekarnię, znajdującą się na dworcu autobusowym.

Największym problemem w pracy ogniw paliwowych pozostaje kwestia pozyskiwania wodoru. Związane jest to z tym, że najtańszą metodą do jego pozyskiwania jest proces reformingu metanu. Niestety pozyskiwany tą metodą wodór nie jest tak ekologiczny jak pozyskiwany z procesu elektrolizy. Metodą elektrolizy możemy uzyskać wodór neutralny dla środowiska. Proces ten jest jednak o kilka rzędów droższy, zarówno przy wykorzystaniu do tego energii pochodzącej z hydroelektrowni, elektrowni wiatrowych oraz farm fotowoltaicznych.

Zastosowanie wodoru w Polsce 

W Polskiej Strategii Wodorowej do roku 2030 z perspektywą do roku 2040 określono 6 celów , które mają przyczynić się do rozwoju energetyki wodorowej w naszym kraju. Są to: wdrożenie technologii wodorowych w energetyce i ciepłownictwie, wykorzystanie wodoru jako paliwa alternatywnego w transporcie, produkcji surowca w nowych instalacjach, które ułatwią prace badawczo-rozwojowe dla niskoemisyjnych technologii pozyskiwania wodoru, sprawny i bezpieczny przesył, dystrybucja i magazynowanie wodoru. 

Ostatnim z nich jest tworzenie dolin wodorowych. Są to regionalne ekosystemy bazujące na lokalnym popycie, transporcie i produkcji, opierające się na odnawialnych źródłach energii. Ostatnio zapowiedziano powstanie Zachodniopomorskiej Doliny Wodorowej, o której to pisaliśmy TUTAJ.

Opracowano na podstawie materiałów Bosch i materiałów własnych.

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Jacek Winiarski