Przyszłość ogniw paliwowych SOFC – czy pomogą w transformacji energetycznej?
Ogniwa paliwowe to urządzenia wykorzystujące energię chemiczną zgromadzoną w paliwie, którym najczęściej jest wodór, do jej bezpośredniej konwersji w energię elektryczną. Wszystkie rodzaje ogniw paliwowych, w przeciwieństwie do tradycyjnych metod, generują elektryczność bez spalania paliwa. Jednym z rodzajów ogniw są ogniwa SOFC. Czy odegrają ważna rolę w transformacji energetycznej?
Nova Energia
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.
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.
Źródło: Bosch.
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
