Magazyny wodorowe
dla elektrowni fotowoltaicznych:
Technologia
i Zastosowania

W dzisiejszych czasach energia odnawialna staje się coraz bardziej popularnym źródłem zasilania, a elektrownie fotowoltaiczne odgrywają kluczową rolę w tej rewolucji energetycznej. Jednakże, jednym z wyzwań związanych z produkcją energii z paneli słonecznych jest jej składowanie na czas, gdy nie ma dostępu do słońca.

Magazyny wodorowe są jednym z innowacyjnych rozwiązań, które pozwalają na przechowywanie energii elektrycznej w formie wodoru i jej późniejsze wykorzystanie.

Jak budować magazyny wodorowe dla elektrowni fotowoltaicznych oraz jakie mają one zastosowania.

Aby zbudować magazyn wodorowy dla elektrowni fotowoltaicznych, potrzebne są przynajmniej trzy kluczowe komponenty:

1. Elektrolizery wody: Elektrolizery wody są urządzeniami, które służą do rozkładu wody na wodór i tlen za pomocą prądu elektrycznego. W magazynie wodorowym elektrolizery są używane do wytwarzania wodoru z nadmiaru energii elektrycznej produkowanej przez elektrownię fotowoltaiczną w czasie, gdy zużycie energii jest niskie.
2. Komora magazynująca: To pomieszczenie, w którym przechowywany jest wodór. Musi być ono zaprojektowane tak, aby zapewnić bezpieczne przechowywanie wodoru, który jest łatwopalny i wybuchowy. W magazynie wodorowym można użyć różnych rodzajów zbiorników ciśnieniowych, ale najczęściej stosowane są te wykonane ze stali lub kompozytów.
3. Stacja do odbioru wodoru: Jest to urządzenie, które umożliwia pobieranie wodoru z magazynu i dostarczanie go do elektrowni fotowoltaicznej w celu wykorzystania go jako paliwa do produkcji energii elektrycznej. Stacja musi być wyposażona w specjalne filtry, które usuwają z wodoru nieczystości i zapewniają czyste paliwo do elektrowni

W budowie magazynu wodorowego dla elektrowni fotowoltaicznych należy również wziąć pod uwagę kwestie związane z bezpieczeństwem, takie jak odpowiednie zabezpieczenia przeciwpożarowe i systemy alarmowe.

Istnieją trzy podstawowe rodzaje elektrolizerów wody:

1. Elektrolizery alkaliczne: To najczęściej stosowane elektrolizery wody. Działają one na zasadzie elektrolizy wody w roztworze alkalicznym, takim jak roztwór wodorotlenku sodu (NaOH) lub potasu (KOH). Elektrolizery alkaliczne są stosunkowo proste w konstrukcji i łatwe w obsłudze, a także niedrogie.
2. Elektrolizery o wysokim ciśnieniu: Znane także jako elektrolizery membranowe, wykorzystują membrany do oddzielenia wodoru od tlenu, co umożliwia przeprowadzenie procesu elektrolizy wody bez użycia alkalicznego roztworu. Są bardziej efektywne energetycznie niż elektrolizery alkaliczne i są stosowane głównie w przemyśle chemicznym i petrochemicznym.
3. Elektrolizery o wysokiej temperaturze: Znane także jako elektrolizery tlenkowe, działają na zasadzie przepuszczania prądu przez tlenkowe elektrody, takie jak tlenek cyrkonu lub tlenek glinu. Są bardziej skomplikowane w konstrukcji niż elektrolizery alkaliczne i o wysokim ciśnieniu, ale umożliwiają osiągnięcie wysokiej wydajności i są bardziej efektywne energetycznie. Stosowane są głównie w przemyśle metalurgicznym.

Elektrolizer PEM

Elektrolizer PEM (Proton Exchange Membrane): Ten rodzaj elektrolizera wymaga stosunkowo wysokiego ciśnienia pracy, zwykle w zakresie 1-3 atmosfer (100-300 kPa). Optymalna temperatura pracy elektrolizera PEM wynosi zwykle około 70-80°C.

Elektrolizer PEM może być również ogniwem paliwowym.

W przypadku zastosowania jako elektrolizer, urządzenie wymaga dostarczenia energii elektrycznej do rozdzielenia wody na wodór i tlen. Natomiast, w przypadku zastosowania jako ogniwem paliwowym, reakcja elektrochemiczna zachodzi w odwrotną stronę, a wodór i tlen są łączone, generując energię elektryczną.

Urządzenia te zwykle wykorzystywane są jako elementy elektrowni wodorowych, gdzie elektrolizer PEM wytwarza wodór, który jest następnie magazynowany i używany do zasilania ogniw paliwowych w celu produkcji energii elektrycznej. Taki układ nazywa się elektrownią wodorową, a zasada działania polega na przetwarzaniu wodoru na energię elektryczną, a następnie emitowaniu czystej wody jako jedynego produkty ubocznego.

Szacunkowa strata energii związana z transformacją 1 kWh energii elektrycznej do wodoru w elektrolizerze PEM, a następnie ponowną przemianą w energię elektryczną w ogniwie paliwowym PEM, wynosi około 30-50%. W praktyce, utrata ta zależy od kilku czynników, takich jak wydajność elektrolizera, stopień czystości wodoru, wydajność ogniw paliwowych, temperatura i ciśnienie pracy.

Wydajność elektrolizera i ogniwa paliwowego zależy od wielu czynników, takich jak:

Wydajność elektrolity – elektrolity wykorzystywane w elektrolizerach i ogniwach paliwowych muszą mieć wysoką przewodność jonową, aby umożliwić przepływ jonów wodorowych i tlenowych między elektrodami. Im wyższa przewodność jonowa, tym wydajniejsze będą elektrolizery i ogniwa paliwowe.

Temperatura – temperatura pracy elektrolizerów i ogniw paliwowych ma duży wpływ na ich wydajność. W przypadku elektrolizerów, wyższa temperatura zwiększa szybkość reakcji, co może poprawić wydajność procesu elektrolizy. W przypadku ogniw paliwowych, niższa temperatura zwykle prowadzi do wyższej sprawności, ponieważ zwiększa się wtedy wydajność elektrochemiczna reakcji.

Ciśnienie – większe ciśnienie zwykle zwiększa wydajność elektrolizera, ponieważ przyspiesza przenikanie gazów przez błonę elektrolityczną. W przypadku ogniw paliwowych, ciśnienie zwykle nie ma aż tak dużego wpływu na wydajność jak temperatura.

Rodzaj i jakość katalizatora – katalizatory są niezbędne w procesach elektrolizy i produkcji energii z ogniw paliwowych. Ich skuteczność zależy od rodzaju i jakości, a także od warunków procesu.

Czystość surowca – czystość wody i gazu używanych w procesie elektrolizy i ogniwach paliwowych ma wpływ na ich wydajność. Zanieczyszczenia mogą wpłynąć negatywnie na wydajność elektrolizera i ogniw paliwowych, a także na żywotność ich elementów.

Kompresja wodoru

Do kompresji wodoru w zbiorniku należy użyć specjalnego kompresora wodorowego, który jest wyposażony w elementy z materiałów odpornych na pękanie wodorowe. Kompresory wodorowe są zazwyczaj tłokowe lub śrubowe. Ważne jest, aby kompresor był wyposażony w odpowiednie zabezpieczenia, które zapobiegają przed przegrzaniem i innymi awariami w czasie pracy.

Stacje do Odbioru Wodoru

Stacja do odbioru wodoru to zaawansowane urządzenie służące do pobierania wodoru z magazynu, przetwarzania go i dostarczania do elektrowni fotowoltaicznej. Woda, która jest poddawana elektrolizie, może zawierać różne zanieczyszczenia, takie jak tlenki węgla, związki siarki i metali, które mogą negatywnie wpłynąć na wydajność i trwałość elektrowni fotowoltaicznej. Dlatego stacja do odbioru wodoru musi być wyposażona w specjalne filtry, które usuwają te zanieczyszczenia i zapewniają czyste paliwo do elektrowni.

Istnieją różne rodzaje filtrów, które mogą być stosowane w stacjach do odbioru wodoru, w zależności od rodzaju zanieczyszczeń, które trzeba usunąć. Na przykład, filtry węglowe są skuteczne w usuwaniu tlenków węgla i innych związków organicznych, podczas gdy katalizatory mogą usuwać związki siarki i metali.

Ponadto, stacja do odbioru wodoru musi być wyposażona w systemy monitorowania i kontroli, aby zapewnić bezpieczne i efektywne pobieranie, przetwarzanie i dostarczanie wodoru do elektrowni fotowoltaicznej. Systemy te mogą obejmować czujniki, które monitorują ciśnienie i temperaturę wodoru, systemy alarmowe, które informują operatorów o awariach lub nieprawidłowościach w procesie, oraz systemy kontroli, które regulują przepływ wodoru i utrzymują optymalne warunki pracy stacji.

Ostatecznie, stacje do odbioru wodoru są kluczowymi elementami infrastruktury wodorowej, która umożliwia produkcję, przechowywanie i dystrybucję wodoru jako zielonego paliwa dla elektrowni fotowoltaicznych i innych źródeł energii odnawialnej.

Zastosowania magazynów wodorowych dla elektrowni fotowoltaicznych:

1. Magazynowanie energii: Pozwalają na gromadzenie energii elektrycznej wyprodukowanej przez elektrownię fotowoltaiczną w czasach, gdy jest jej nadmiar, a następnie wykorzystywanie jej w okresach niskiego dostępu do słońca.
2. Stabilizacja sieci elektrycznej: Wodorowy magazyn może pomóc w utrzymaniu stabilności sieci elektrycznej poprzez zapewnienie elastyczności w dostarczaniu energii w odpowiednich momentach.
3. Zasilanie wodorowym paliwem pojazdów: Wodorowe paliwo jest coraz bardziej popularnym źródłem napędu dla pojazdów. Magazyn wodorowy może dostarczać wodór do stacji tankowania pojazdów.
4. Produkcja ciepła: Wodorowy magazyn może być wykorzystywany do produkcji ciepła w gospodarstwach domowych i przemyśle.
5. Zrównoważona produkcja przemysłowa: Wodorowy magazyn może dostarczać wodór do różnych procesów przemysłowych, które wymagają czystego źródła energii.
6. Zasilanie sieci gazowej: Wodorowy magazyn może dostarczać wodór do sieci gazowej, co pozwala na wykorzystanie go w różnych zastosowaniach przemysłowych.

Podsumowanie:

Magazyny wodorowe stanowią obiecującą technologię, która może pomóc w efektywnym wykorzystaniu energii elektrycznej produkowanej przez elektrownie fotowoltaiczne. Obejmuje to przechowywanie nadmiaru energii w formie wodoru, który może być później wykorzystywany w różnych zastosowaniach, takich jak produkcja energii elektrycznej, napęd pojazdów czy procesy przemysłowe. Wybór odpowiedniego rodzaju elektrolizera oraz zabezpieczeń jest kluczowy dla bezpiecznego i efektywnego działania magazynu wodorowego. W miarę jak technologia ta rozwija się, można oczekiwać, że magazyny wodorowe będą odgrywać coraz większą rolę w przyszłości energetyki odnawialnej.