3.3 NETRADIČNÉ ZDROJE ELEKTRICKEJ ENERGIE

V prvej časti kapitoly sú vysvetlené základné vlastnosti, princípy činnosti a oblasti využitia elektrochemických palivových článkov. Tieto zdroje zatiaľ ešte na Slovensku nenašli širšie uplatnenie, ale sú perspektívne, ich základný vývoj bol ukončený a sú pripravené pre komerčné využitie.

V druhej časti sú uvedené možnosti získavania nízkopotenciálneho tepla a príklady realizácie pomocou tepelného čerpadla. V závere kapitoly sú vysvetlené výhody tepelných čerpadiel.

Obsah kapitoly 3.3

3.3.1		Elektrochemické palivové články
3.3.2		Tepelné čerpadlá
3.3.3		Otázky ku kapitole 3.3

Názvom netradičné zdroje energie sú väčšinou označované obnoviteľné zdroje energie. Pod tento pojem zahrňujeme také zdroje, ktoré sa nezávisle od ich využívania obnovujú a sú prakticky bez zmeny neustále k dispozícii, na rozdiel od neobnoviteľných zdrojov, ktoré sa ich využívaním postupne nevratne vyčerpávajú. Podrobne uvedené charakteristiky v kap. 3.1.1 oboznamujú s týmito zdrojmi, ktoré našli svoje uplatnenie a sú dlhodobo realizované v praxi.

Výraz „netradičný zdroj energie" nie je v tomto prípade úplne presný. Skôr je možné vysvetliť výraz netradičný ako „málo rozšírený“. Príčina obmedzeného využitia netradičných zdrojov energie je pravdepodobne v ich vyššej investičnej a technickej náročnosti. Hlavnou výhodou týchto zdrojov energie sú ich nízke prevádzkové náklady. Napriek tomu v blízkej budúcnosti možno očakávať zvýšený záujem o využitie elektrochemických palivových článkov a tepelných čerpadiel vzhľadom na ich ekologickú a životné prostredie šetriacu prevádzku.

3.3.1 ELEKTROCHEMICKÉ PALIVOVÉ ČLÁNKY

Palivový článok (PČ) je zariadenie, v ktorom sa elektrická energia získava z chemickej energie paliva. Premena chemickej energie na elektrickú sa uskutočňuje priamo bez sprostredkujúceho procesu, ako je to pri spaľovaní fosílnych palív, keď sa chemická energia najskôr mení na tepelnú, potom na mechanickú a až tá na elektrickú, obr. 3.3.1.

Obr. 3.3.1. Konvenčné využívanie paliva

Proces premeny v palivovom článku prebieha tak, že do jeho priestoru je privádzané palivo a okysličovadlo, pričom dochádza k tzv. studenému spaľovaniu a premenou chemickej energie paliva vzniká elektrická energia a menší podiel tepelnej energie, obr. 3.3.2.

Obr. 3.3.2. Využívanie paliva v palivovom článku

Využitím premeny energie chemickej reakcie priamo na elektrickú energiu sa dosahuje podstatne vyššia účinnosť, ako sa dá dosiahnuť spaľovaním paliva v tepelných strojoch (bežné motory). Účinnosť je viac ako dvojnásobne väčšia (okolo 70 %). Produktom činnosti palivového článku je voda, nepatrné množstvá škodlivín a isté množstvo tepla (pri vodíkovo-kyslíkovom type). Objav palivových článkov sa datuje do roku 1839, kedy britský právnik a amatérsky fyzik, sir WILLIAM ROBERT GROVE (1811 – 1896) objavil základný princíp. Jeho inverzný proces k elektrolýze vody vyprodukoval elektrickú energiu z vodíka a kyslíka na platinových elektródach v kyseline sírovej [134].

Palivový článok druhýkrát pre verejnosť objavil v roku 1952 Thomas Bacon. Zostrojil veľmi výkonný alkalický článok na báze hydroxidu draselného (KOH) s výkonom 5 kW. Skutočný revolučný prelom u týchto elektrochemických zdrojov prišiel až s ich nasadením v kozmickom programu Apollo v šesťdesiatych rokoch minulého storočia. Jednalo sa o také alkalické varianty článku, kde okrem elektrickej energie pre palubnú elektroniku bola prvýkrát významne využitá aj odpadná surovina článku – čistá pitná voda [136]. 

Základ činnosti všeobecne spočíva vo funkcii elektrolytu (alebo aj zvláštneho druhu membrány) medzi dvomi elektródami. Z privádzaného vodíka membrána „prepustí“ len protóny a neprepustené elektróny „musia“ ísť cez vonkajší obvod, t. j. cez spotrebič a tieto potom na druhej elektróde spolu s „prepustenými“ protónmi vytvoria atómy vodíka a z nich sa zlúčením s privádzaným kyslíkom vytvára voda.

Princíp činnosti palivového článku s polymérovým elektrolytom

Základný princíp činnosti spočíva v tom, že na anódu článku sa privádza vodík, ktorý sa tu za pomoci katalyzátora štiepi na kladne nabité ióny atómu – katióny vodíka (H⁺) a elektróny (e^-). Elektrolyt má membránové vlastnosti, preto prepúšťa z jednej elektródy na druhú iba katióny, pričom elektróny zadrží. Neprepustené - zadržané elektróny prechádzajú cez vonkajší elektrický okruh, kde vytvárajú jednosmerný elektrický prúd. Kyslík privádzaný na katódu reaguje s elektrónmi získanými z vodíka a vytvára ióny, ktoré reagujú s katiónmi vodíka za vzniku vody, resp. pary (tepla).

Obr. 3.3.3. Princíp činnosti palivového článku s polymérovým elektrolytom

Príprava paliva (výroba vodíka) zo zemného plynu:

V súčasnosti najviac používaná metóda je reformovanie zemného plynu vodnou parou (zemný plyn obsahuje prevažne metán - CH₄). Reformácia je v 2 fázach.

1. fáza

– endotermická reakcia (dodáva sa teplo),

2. fáza

– exotermická reakcia (vzniká teplo).

Okrem vodíka sa ako palivo používajú aj metán, metanol, zemný plyn, glukózový roztok, bioplyn či dokonca kyselina mravčia, ktoré omývajú anódu (ktorá je negatívnou elektródou na rozdiel od pozitívnej pri elektrolýze) článku. Na katódu je zasa privádzané okysličovadlo – popri vzduchu alebo čistom kyslíku ním môže byť takisto tiokyanatan draselný alebo peroxid vodíka. Anódu a katódu oddeľuje elektrolyt, ktorým bývajú roztoky alebo kyseliny, taveniny uhličitanov alkalických kovov, keramika alebo membrány. Elektródy sú najčastejšie kovové, vyrobené z niklu alebo sa používajú uhlíkové nanorúrky (obr. 3.3.4), povrch majú potiahnutý katalyzátormi, napr. platinou alebo paládiom.

Obr. 3.3.4. Uhlíkové nanorúrky pre výrobu elektród, (prevzaté z NEC)

Podľa technológie katalýzy existujú palivové články (FC – fuel cell) mnohých typov, napríklad:

Nízkoteplotné – ich pracovná teplota je 60 až 210 °C

• AFC (Alkaline Fuel Cell) – elektrolyt tvorí KOH,

• PE FC (Polymer Electrolyte FC), označované tiež PEM FC (Proton Exchange Membrane FC) – katalycky spaľuje vodík a elektrolyt tvorí polymérová membrána,

• DM FC (Direct Methanol FC), ako palivo slúži kvapalný metanol C₂H₅OH,

• PA FC (Phosporic Acid FC) – elektrolyt tvorí kyselina fosforečná.

Vysokoteplotné  - ich pracovná teplota je 600 až 1000 °C

• MC FC (Molten Carbonate FC) – elektrolytom sú roztavené uhličitany,

• SO FC (Solid Oxide FC) – elektrolyt je z pevných oxidov vzácnych kovov (napríklad zirkónia).

Vlastnosti jedného palivového článku (jednej bunky) sú: napätie 0,5 až 0,8 V, veľkosť prúdu je závislá od plochy a druhu membrány, pri asi 10 cm² je približne 0,5 A. Výkonný agregát 70 kW sa vojde do asi 1m³.

Tab. 3.3.1. Druhy palivových článkov s komerčným využitím a ich parametre (zdroj: ZBT)

Výhody

• účinnosť výroby elektrickej energie je vyššia v porovnaní s akoukoľvek inou technológiou výroby elektrickej energie (viac ako 50 %),

• okrem elektrickej energie možno využiť odpadové teplo napr. vo vykurovaní,

• extrémne nízke emisie,

• pracuje nehlučne nemá žiadne pohyblivé časti,

• výborné dynamické vlastnosti, pracuje spoľahlivo aj pri nižšom výkone a rýchlo sa prispôsobuje zmenám výkonu.

• pri prenosných zariadeniach sú predĺženie činnosti oproti akumulátorom a nezávislosť od elektrickej siete aj po spotrebovaní zásoby energie, pretože palivom sa dajú jednoducho dopĺňať, napr. pomocou vymeniteľných ampúl a rozličných zásobníkov, obr. 3.3.5.

Obr. 3.3.5. Výmena zásobníka s palivom (metanolom), ktorý sa využíva v zdroji energie verzie DMFC, foto: TOSHIBA

Nevýhody

• relatívne nízka životnosť (hlavne u vysokoteplotných),

• klesajúca účinnosť po danej dobe životnosti,

• cena jednotlivých komponentov (zatiaľ).

Oblasti využitia

• Prenosné PČ  – miniatúrne výkony pre mobilné telefóny, notebooky a pod. Zaujímavý trend z hľadiska veľkého počtu aplikácií.

• Mobilné PČ  – tzv. autá na vodík. Všetky automobilky už dlhší čas pracujú na tomto druhu pohonu, pretože ložiská ropy sú už takmer vyčerpané. Sériová výroba sa už začala v r. 2004. Ostáva len vyriešiť problém nedostatočnej infraštruktúry čerpacích staníc.

• Kogeneračné (trigeneračné) jednotky s PČ  – výroba elektriny a tepla (chladu).

• Záložné zdroje energie.

• Stacionárne PČ:

Anglická firma REGENSYS vyvíja zariadenie pre obojstrannú prevádzku na princípe PEM FC. Zariadenie pracuje na tomto princípe:

 – v čase prebytku elektrickej energie sa vyrába elektrolýzou vody vodík a akumuluje sa (elektrická energia sa spotrebováva),

 –  v čase nedostatku energie vyrába špičkový prúd z akumulovaného vodíka (rovnaký princíp ako PVE).

• Hybridné zapojenie SOFC s mikroturbínou. SOFC sú vysokoteplotné PČ. Para s vysokou teplotou na výstupe PČ sa privádza na vstup dodatočnej mikroturbíny. Takto sa dá zvýšiť elektrická účinnosť zo 60 až na 90 %.

V súčasnosti sa palivový článok využíva najmä ako základná jednotka v malých elektrárňach (od 10 kW do 200 kW) a ako pohon vozidiel (najmä autobusy, ale aj ponorky a pod.). Výskum a rozvoj technológií, ktorý súvisí s jeho nasadením v rôznych iných oblastiach ako sú zdroje pre mobilné telefóny, počítače či pohon osobných vozidiel je rozsiahly a intenzívny. Palivový článok bol využitý tiež v programe Apollo. Problémom je zatiaľ cena jeho jednotlivých komponentov.

Perspektívy použitia

Výskum palivových článkov úspešne pokračuje. Ide o výskum základný aj aplikovaný v oblastiach ako je získavanie vodíka, jeho skladovanie, kvalita membrán, životnosť jednotlivých dielov a pod. Vo všetkých oblastiach sa objavuje záujem o využitie najmä najnovších poznatkov, nových materiálov či technológií (nanotrubičky, genetika a pod.).

Budúce použitie palivových článkov, ako stacionárnych kogeneračných zdrojov a mobilných zdrojov elektrickej energie, spĺňa nároky na zníženie znečistenia ovzdušia v porovnaní s jestvujúcimi technológiami.

3.3.2 TEPELNÉ ČERPADLÁ

Princíp tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo pracuje na obdobnom princípe ako chladnička. Tá odoberá teplo z vnútorného priestoru chladničky a pomocou chladiaceho okruhu ho prečerpáva do vonkajšej časti zariadenia. Tepelné čerpadlo miesto z potravín odoberá teplo zo zdroja prírodného prostredia (napr. vonkajšieho vzduchu, studničnej vody či pôdy z okolia domu) a odovzdáva ho tepelnej sústave (radiátory, podlahové vykurovanie, zásobníky teplej vody a pod.).

Prenos tepla sa uskutočňuje pomocou pracovnej látky – chladiva v uzatvorenom chladiacom okruhu podľa termodynamických zákonov. Pracovná látka má tú vlastnosť, že pri nízkych teplotách sa odparuje. Zdroj tepla (vonkajší vzduch alebo voda, popr. nemrznúca zmes) sa privedie k výmenníku tepla, v ktorom cirkuluje chladivo. Toto odoberie zdroju tepla potrebné teplo a prejde z kvapalného do plynného stavu. Zdroj tepla sa tým schladí o niekoľko stupňov. Kompresor plynné chladivo nasaje a stlačí. Tým sa zväčší jeho tlak a stúpne teplota. Pracovná látka je teda “prečerpaná” na vyššiu teplotnú úroveň.

Hnacím prvkom tepelného čerpadla je kompresor, ktorý je spravidla poháňaný elektrickým motorom. Je dôležité vedieť, koľko elektrickej energie je potrebné dodať a koľko tepelnej energie získame na vykurovanie. Tento pomer dodanej a získanej energie určuje tzv. výkonové číslo alebo tiež vykurovací faktor, ktorý je jedným z hlavných kritérií pre použitie tepelného čerpadla. Pri dodaní 1 kWh elektrickej energie vyrobí dobré tepelné čerpadlo 4 – 6 kWh tepelnej energie. Elektrická energia potrebná pre napájanie kompresora nie je energiou stratenou, ale zvyšuje energetický potenciál pracovného média, ktoré sa stále dostáva do kondenzátora. Tam odovzdá svoje teplo teplonosnej látke, napr. vode vo vykurovaní. Tým dôjde ku skvapalneniu média a po jeho škrtení v expanznom ventile sa médium dostáva opäť na začiatok celého pracovného cyklu.

Tepelné čerpadlo je teda zariadenie na odoberanie tepelnej energie z nízkopotenciálneho obnoviteľného zdroja tepla (voda, pôda, vzduch) a jeho prenos na vyššiu teplotnú úroveň pre využitie na  vykurovanie, ohrev teplej úžitkovej vody a pod.

Príspevok tepla z nízkopotenciálneho obnoviteľného zdroja tak predstavuje 75 – 85 %. Výkonové číslo sa mení nielen v závislosti od teploty zdroja a vykurovacieho média, ale aj od vyspelosti konštrukčného riešenia konkrétneho tepelného čerpadla.         

Obr. 3.3.6. Principiálna schéma tepelného čerpadla

Zdroje nízkopotenciálneho tepla

Zdrojom nízkopotenciálneho tepla môže byť podzemná voda, geotermálne teplo (plošný zemný kolektor alebo hĺbkový vrt), vzduch, za určitých podmienok aj riečna voda a voda z jazera, prípadne aj odpadové teplo z technologických prevádzok.

Označenie tepelného čerpadla vychádza zo zdroja, z ktorého je tepelná energia odoberaná a z média, do ktorého je odovzdávaná. Podľa toho delíme tepelné čerpadlá na:

VODA - VODA  

Pomocou zemných sond alebo studní na podzemnú vodu sa energia podzemnej vody mení na tepelnú energiu. Toto prevedenie dosahuje vykurovací výkon až 14 kW. Pri vstupnej teplote studničnej vody 10 °C je teplota vykurovanej vody 35 °C.

ZEM - VODA

Pomocou zemných kolektorov sa energia pôdy mení na tepelnú energiu. Vysoká teplota privádzanej vykurovanej vody môže byť dosiahnutá prevádzkou so soľankou (nemrznúca zmes). Pri vstupnej teplote soľanky 0 °C môže byť teplota vykurovanej vody až 35 °C. Toto prevedenie dosahuje vykurovací výkon až 15 kW.

VZDUCH - VODA

Tepelné čerpadlá tohto systému získavajú energiu pre vykurovanie objektu alebo i pre ohrev teplej úžitkovej vody z okolitého vzduchu. Spodná hranica teploty vonkajšieho vzduchu, pri ktorej je možné tepelné čerpadlo použiť, je -18 °C. Teplota výstupnej vody pre vykurovanie je približne 50 °C. Tieto zostavy dosahujú vykurovacie výkony až 30 kW. Vyššie výkony je možné dosiahnuť prepojením viacerých tepelných čerpadiel. Výhodou tohto typu je ľahká inštalácia, nevyžadujúca na rozdiel od systému voda/voda žiadne zemné práce.

Výhody tepelných čerpadiel:

• ekonomická výhodnosť zariadenia, najmä z hľadiska prevádzky,

• veľká úspora energie, 40 až 80 % podľa toho, s akým nosičom energie sa porovnanie vykonáva,

• nízke náklady na údržbu tepelného čerpadla,

• vysoká životnosť zariadenia v rozmedzí 20 až 30 rokov,

• nevyčerpateľnosť a dostupnosť obnoviteľných nízkopotenciálnych zdrojov tepla prakticky všade.

Návratnosť investície vykurovania tepelným čerpadlom

Z jednoduchých porovnaní je zrejmé, že i pri ešte deformovaných cenách sú tepelné čerpadlá ekonomické pri náhrade elektrického priameho vykurovania, prípadne pri porovnaní s vykurovaním kvapalným plynom. Doba návratnosti je dnes 2–3 krát kratšia ako životnosť tepelného čerpadla. Tá sa pohybuje podľa prevedenia celého systému okolo 15 rokov. Zvyšovaním cien energií bude ekonomická návratnosť tepelných čerpadiel stále klesať. Pri súčasných cenách zemného plynu nie je možné návratnosť tepelných čerpadiel vyhodnotiť, pretože doba návratnosti prekračuje životnosť zariadenia. Svoj podiel tu má i ekonomický faktor.

Tepelné čerpadlá ako ekonomický a ekologický zdroj vykurovania šetria životné prostredie svojou správnou väzbou na energiu a sú aktívnym prínosom k ochrane životného prostredia.

3.3.3 Otázky ku kapitole 3.3

1.    Ako sa uskutočňuje premena energie v palivovom článku?

2.    V čom spočíva základ činnosti palivového článku?

3.    Aké typy palivových článkov existujú?

4.    Aké sú oblasti využitia palivových článkov?

5.    Na akom princípe pracuje tepelné čerpadlo?

6.    Aké sú zdroje nízkopotenciálneho tepla?