Reálný provoz mikrokogenerační jednotky

Mezi technologie použitelné pro kombinovanou výrobu patří:

• spalovací turbína s kombinovaným cyklem,
• protitlaková parní turbína,
• kondenzační parní turbína s odběrem páry,
• spalovací turbína s regenerací tepla,
• spalovací motor,
• mikroturbína,
• Stirlingův motor,
• palivový článek,
• Rankinovy organické cykly,
• jiný typ technologie, jejímž prostřednictvím se zabezpečuje kombinovaná výroba tepla a elektrické energie.

Dosud všechna zařízení nabízená do domácností poskytovala výlučně technologie pro oddělenou výrobu tepla (kondenzační kotle, tepelná čerpadla aj.) nebo pro oddělenou výrobu elektrické energie (fotovoltaické panely, malé vodní a větrné elektrárny aj.). V současnosti jsou však už na trhu dostupné i kogenerační jednotky s malými výkony, tzv. mikrokogenerační jednotky s elektrickým výkonem blízkým 1 kWe, které jsou použitelné i v rodinných domech a bytech. Tyto mikrokogenerační jednotky pracují především na principu pístového spalovacího motoru, Stirlingova motoru, parního stroje nebo palivového článku a dosahují tepelný výkon do 20 kWt a elektrický výkon 1 až 5 kWe. Hlavním palivem využívaným v mikrokogeneraci s elektrickým výkonem kolem 1 kWe je zemní plyn. Filozofie využití mikrokogenerace v rodinných domech je založena na výrobě tepelné energie na vytápění a na přípravě teplé vody, přičemž jako bonus se získává elektrická energie. Vyrobená elektrická energie se spotřebovává přímo v domě a primárně není určena k prodeji do distribuční sítě.

Palivový článek

Palivový článek je elektrochemické zařízení, které pomocí oxidačně-redukční reakce přímo přeměňuje chemickou energii vázanou v palivu na elektrickou energii. Princip práce palivového článku je v podstatě inverzní k elektrolýze vody. Do palivového článku se přivádí palivo (vodík) a okysličovadlo (kyslík), přičemž elektrochemickou reakcí vzniká elektrický proud a voda a vedlejším produktem je teplo. Typy palivových článků se liší materiálem elektrod, použitým elektrolytem, pracovní teplotou a chemickými reakcemi na elektrodách.

Palivové články se podle pracovní teploty dělí do tří základních kategorií, které se potom ještě rozdělují podle použitého elektrolytu na šest skupin.

1. Palivový článek s nízkou pracovní teplotou (od 60 do 120 °C)

• AFC – alkalické palivové články (Alkaline Fuel Cell)
• PEMFC – polymerové palivové články (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)
• DMFC – metanolové palivové články (Direct Methanol Fuel Cell)

2. Palivový článek se střední pracovní teplotou (od 160 do 200 °C)

• PAFC – palivové články s kyselinou fosforečnou (Phosphoric Acid Fuel Cell)

3. Palivový článek s vysokou pracovní teplotou (od 600 do 1 000 °C)

• MCFC – palivové články s taveninou uhličitanu (Molten Carbonate Fuel Cell)
• SOFC – keramické palivové články (Solid Oxide Fuel Cell)

Při kogeneraci se nejvíce používají palivové články typu PEM, SOFC a v malé míře i přímé metanolové články DMFC.
Palivem pro palivový článek je vodík, který se může do článku dodávat buď v čisté podobě, nebo v jiné formě, která obsahuje vodík (kapalné nebo plynné), nejčastěji je to zemní plyn. Jeho využití v palivovém článku jako zdroje energie v domácnosti se jeví jako nejvýhodnější. Zemní plyn však musí být bezsirný a musí projít procesem nazývaným „reforming“. „Reforming“ probíhá nejčastěji jako parní nebo jako parciální oxidace.

Mikrokogenerační jednotka s palivovým článkem Hexis Galileo 1000N

Palivové články se dosud nejčastěji používaly v telekomunikační, vojenské a kosmické technice, případně jako jednotky záložních zdrojů s velkými výkony. Použití palivových článků v mikrokogeneraci není zatím moc rozšířeno, většina výrobců je teprve ve stádiu vývoje a testování. Finančně nákladný vývoj těchto zařízení a cena použitých materiálů palivového článku přinášejí vysokou pořizovací cenu, z čehož vyplývá malé rozšíření těchto jednotek. Komerčně dostupné jsou tyto typy zařízení především v Japonsku, USA a v některých státech Evropy (Německo, Švýcarsko aj.). Na trhu jsou v omezeném množství dostupné modely mikrokogeneračních jednotek jako například Hexis Galileo 1000N, BlueGen, ClearEdge 5, GenSys E-60 (PlugPower), Panasonic EneFarm či Tropical RLN-1000.

Na Katedře energetické techniky Strojní fakulty Žilinské univerzity je v současnosti v experimentálním provozu mikrokogenerační jednotka na bázi palivového článku na zemní plyn s technologií SOFC (vysokoteplotní keramický palivový článek s pracovní teplotou 870 °C), s elektrickým výkonem 1 kWe a tepelným výkonem palivového článku 1,8 až 3,3 kWt. Jednotku doplňuje kondenzační kotel s tepelným výkonem 7,0 až 20,0 kWt, který pokrývá případnou zvýšenou potřebu tepla. Jednotka je schopna pracovat v režimu palivového článku, kondenzačního kotle nebo v obou režimech současně. Nízký tepelný výkon palivového článku ve spojení s akumulačním zásobníkem tepla umožňuje prakticky nepřetržitý provoz. Jednotka využívá jako palivo zemní plyn, přičemž vodík ze zemního plynu získává parciální oxidací CH4. SOFC palivový článek je umístěn v horní části mikrokogenerační jednotky (obr.1),

Obr. 1    Pohled na vysokoteplotní keramický palivový článek SOFC – horní část mikrokogenerační jednotky

Ve spodní části je umístěn kondenzační kotel, systém přívodu a odsíření plynu, nasávání a filtrace vzduchu, odvodu kondenzátu a vody vzniklé během elektrochemické reakce, oběhové čerpadlo, elektronický řídicí systém a měnič jednosměrného proudu na střídavý (obr.2). Zemní plyn musí projít složitým procesem odsíření, protože síra působí toxicky na katalyzátor v palivovém článku. Ruský plyn prakticky neobsahuje síru, největší podíl síry se do plynu dostává v podobě odorantů. Nasávání vzduchu a výfuk spalin se zabezpečuje koncentrickou komínovou trubkou. Vnitřní trubka slouží jako výfuk a prostor mezi vnější a vnitřní trubkou slouží k nasávání vzduchu pro elektrochemickou reakci v palivovém článku, případně pro kondenzační kotel. Po dokončení montáže se jednotka uzavře utěsněnými izolovanými kryty– na vrchní části se nachází ovládací panel (obr.3). Ve vnitřním prostředí jednotky je vytvořený podtlak vůči okolní atmosféře. Potřeba utěsnění vnitřního prostředí jednotky a vytvoření podtlaku vyplývá z důvodu bezpečnosti, protože zemní plyn je zbaven odorantů a případný únik by mohl způsobit ohrožení obsluhy a výbuch.

Obr. 2    Pohled dovnitř mikrokogenerační jednotky – spodní část

Měření provozních parametrů mikrokogenerační jednotky

Během dlouhodobého experimentálního provozování mikrokogenerační jednotky na principu palivového článku dodává jednotka vyprodukovaný elektrický proud do univerzitní elektrické sítě, tepelná energie se ukládá do třísetlitrového akumulačního zásobníku tepla a následně se využívá v teplovzdušné jednotce. Schéma měření je zobrazeno na obr. 4. Během měření se v laboratoři zaznamenával atmosférický tlak a teplota okolí.

Obr. 4    Schéma měření a zapojení mikrokogenerační jednotky s palivovým článkem na zemní plyn

K určení tepelného výkonu jednotky byla zaznamenávána teplota výstupní (snímač teploty T1 – Pt100), vratné vytápěcí vody (snímač teploty T2 – Pt100), její hmotnostní průtok (hmotnostní průtokoměr Yokogawa), její tlak (snímač tlaku p – Ahlborn) a teplota akumulačního zásobníku. Pro rychlé ověření stavu vytápěcího systému obsluhou jsou tyto snímače doplněny ručičkovými snímači teploty T1-r, T2-r a tlaku p-r. Systém nabíjení akumulační nádoby je doplněn regulačním ventilem Herz Strömax DN25, jímž nezaškrcovat průtok vytápěcí vody, což umožňuje měnit teplotní spád. Velikost tepelné energie využité v teplovzdušné jednotce je možné ovlivňovat nastavením otáček ventilátoru v pěti stupních a nastavením rychlosti oběhového čerpadla na výstupu z akumulační nádoby (též v pěti stupních). Kombinací nastavení otáček ventilátoru a oběhového čerpadla lze navolit dostatečné množství různých stavů odběru tepla, které simulují potřebu tepla rodinného domu v různých situacích a během vytápěcího období.

K určení spotřeby zemního plynu byla zaznamenávána teplota (snímač teploty TZP – Pt100), tlak (snímač tlaku pZP – Ahlborn) a jeho průtok (membránový plynoměr BK-G2,5). Tyto hodnoty byly následně použity na přepočet objemu protečeného zemního plynu za normálních podmínek (teplota 15 °C, tlak 101325 Pa). K určení spotřebované a vyprodukované elektrické energie byl použit dvoucestný wattmetr Rawet s dělicími cívkami (poměr dělení 15:5). Měření probíhala za ustáleného režimu práce mikrokogenerační jednotky (za teplotního spádu 75/25 °C) a během specifických podmínek, které mohou nastat při provozu v rodinném domě.

Start palivového článku v mikrokogenerační jednotce

Na obr. 5 vidíme jeden ze startů mikrokogenerační jednotky, který proběhl 4. 9. 2014. Ukazuje průběh vyprodukované a spotřebované elektrické energie, tepelné energie a energie dodané v zemním plynu během startu a náběhu mikrokogenerační jednotky na nominální elektrický výkon. První fáze rozběhu jednotky spočívá v jejím nahřívání na provozní teplotu 870 °C. Nahřívání je zabezpečeno elektrickými spirálami s příkonem kolem 1450 We, tato elektrická energie se dodává z vnější elektrické sítě a předohřev trvá přibližně osm hodin. Během této fáze otevírá plynová armatura přívod zemního plynu, ale pro nízkou teplotu nenastává reakce parciální oxidace, modul palivových článků zatím neprodukuje elektrický proud a veškerý přivedený zemní plyn shoří v zóně dohořívání. Tepelný výkon jednotky pomalu narůstá. Produkce elektrického proudu začíná přibližně čtrnáct a půl hodiny po zapnutí jednotky, elektrický předohřev se vypíná a jednotka spotřebovává z vnější elektrické sítě už jen 25 We, které slouží k synchronizaci elektrického měniče. Produkce elektrického proudu je však zatím kolísavá, zařízení dosáhne stabilního nominálního elektrického výkonu až čtyřicet pět hodin po zapnutí.

Provoz za běžných podmínek

Na obr. 6 vidíme reprezentativní výběr naměřených a vypočítaných hodnot během dlouhodobého provozu mikrokogenerační jednotky s palivovým článkem (vybraný úsek měření představuje 2360 provozních hodin). Průběh elektrického výkonu během dlouhodobého měření ukazuje jeho postupné snižování z hodnoty 1 000 We deklarované výrobcem na hodnotu 850We. Tento průběh potvrzuje fakt snižující se elektrické účinnosti palivového článku v závislosti na provozní době. Prudké poklesy elektrického výkonu během měření jsou způsobeny výpadky elektrické energie ve vnější elektrické síti. Střední tepelný výkon palivového článku během měření mírně narůstá z hodnoty 2 000Wt na 2 300Wt, což je způsobeno poklesem elektrické účinnosti palivového článku (hlavně poklesem účinnosti přeměny metanu na vodík parciální oxidací). Prudké změny tepelného výkonu jsou způsobeny řízením oběhového čerpadla jednotky.

Obr. 6    Průběh spotřebované a vyprodukované elektrické energie a tepelného výkonu během dlouhodobého provozu mikrokogenerační jednotky

To je navrženo tak, aby se v palivovém článku vždy udržovala pracovní teplota 870 °C a jen zbylá tepelná energie se odevzdávala do akumulačního zásobníku. Průběh spotřebované elektrické energie z vnější elektrické sítě je prakticky konstantní. Spotřebovávaná elektrická energie slouží k synchronizaci elektrického měniče jednotky s elektrickou sítí. Na obr. 7 je průběh účinností během dlouhodobého měření. Celková účinnost jednotky je prakticky během celého měření konstantní, její hodnota je 0,88. Elektrická účinnost během měření klesla z počáteční hodnoty 0,3 na hodnotu 0,25. Tepelná účinnost mírně vzrostla z hodnoty 0,53 na hodnotu 0,64. Je to způsobeno snížením elektrické účinnosti, což vede ke zvýšení množství nezreagovaného zemního plynu v palivovém článku – tento plyn se potom mění v tepelnou energii v zóně dohořívání.

Obr. 7    Průběh elektrické, tepelné a celkové účinnosti během dlouhodobého provozu mikrokogenerační jednotky

Simulovaný výpadek ve vnější elektrické síti

Na obr.8 je průběh spotřebované a vyprodukované elektrické a tepelné energie během simulování výpadku elektrické energie, který nastal 19.2.2015. Během krátkodobého výpadku elektrické energie ve vnější rozvodné síti mikrokogenerační jednotka okamžitě snížila svůj výstupní elektrický výkon z 1000 We na 0 We a přepnula se do pohotovostního režimu (stále však produkovala přibližně 200 We elektrické energie pro vlastní spotřebu a na pohon oběhových čerpadel – mikrokogenerační jednotka je schopna zabezpečit neustálou dodávku tepla). Po obnovení dodávky elektrické energie jednotka nabíhala na jmenovitý elektrický výkon, přičemž doba náběhu trvala přibližně dvě a půl hodiny. Průběh tepelného výkonu během simulování výpadku energie byl skoro konstantní, mírné zvýšení nastalo během přechodu do útlumového režimu, což bylo způsobeno chladnutím palivového článku.

Obr. 8    Průběh spotřebované a vyprodukované elektrické energie, tepelného výkonu a výkonu dodaného v zemním plynu během simulovaného výpadku elektrické energie ve vnější síti

Spotřeba elektrické energie z vnější elektrické sítě během přechodu z útlumového režimu je způsobena spuštěním elektrických spirál v palivovém článku, které mají za úkol opětovně zahřát palivový článek na pracovní teplotu 870 °C. Druhým důvodem je fakt, že během krátké doby při přechodu z útlumového režimu jsou všechna zařízení a systémy mikrokogenerační jednotky napájeny z vnější elektrické sítě. Toto napájení se odpojí až tehdy, když má palivový článek dostatečný elektrický výkon i s rezervou (asi 200 We). Odpojení napájení z vnější sítě se projeví krátkodobým poklesem elektrického výkonu palivového článku. Potom jednotka opět spotřebovává přibližně 26 We elektrické energie z elektrické sítě.

Simulování režimu bez potřeby tepla

Na obr. 9 vidíme reakci mikrokogenerační jednotky během stavu, kdy v domácnosti není potřeba tepla. Během této simulace bylo vypnuto čerpadlo na výstupu z akumulační nádoby a vypnuta byla i teplovzdušná jednotka na spotřebovávání tepla. Postupné nahřívání akumulačního zásobníku se projevuje zvyšováním teploty výstupní a vratné vody. Když se dosáhne teploty výstupní vody 73 °C, teploty vratné vody 58 °C a teploty akumulačního zásobníku tepla 60 °C, mikrokogenerační jednotka začne snižovat svůj tepelný a elektrický výkon a přepíná se do udržovacího režimu. Elektrický výkon klesá na hodnotu 300 We a tepelný výkon klesá na hodnotu přibližně 1000 Wt. Tímto se řídicí systém snaží produkovat jen tolik tepla, aby se jednotka nepřehřívala a mohla zůstat nadále v provozu do té doby, než teploty vody dosáhnou kritických hodnot (pokud tento stav trvá déle, jednotka se přepne do „letního režimu“ a palivový článek se vypíná). Po obnovení odběru tepla se jednotka poměrně rychle přepíná do normálního režimu a přejde na svůj nominální elektrický výkon.

Obr. 9    Průběh vyprodukované elektrické energie, tepelného výkonu a výkonu dodaného v zemním plynu, teplot vytápěcí vody a akumulačního zásobníku během simulování režimu bez potřeby tepla (trvání přibližně dva dny)

Vypínání mikrokogenerační jednotky

Na obr. 10 vidíme vypínání mikrokogenerační jednotky. Jakmile uživatel přes uživatelské rozhraní zadá požadavek na vypnutí jednotky, jednotka v rozmezí deseti minut sníží svůj elektrický výkon na 0 We a plynová armatura uzavře přívod zemního plynu. Tepelný výkon se snižuje jen pomalu, protože vytápěcí voda musí ochladit modul palivových článků. Pro pohon oběhového čerpadla se z vnější elektrické sítě dodává výkon přibližně 50 We. Po ochlazení palivových článků na teplotu přibližně 90 °C se jednotka vypne úplně. Odměřená spotřeba zemního plynu ve stavu, kdy je jednotka vypnutá, je způsobená chybou měření.

Obr. 10    Průběh spotřebované a vyprodukované elektrické energie, tepelného výkonu a výkonu dodaného v zemním plynu během vypínání mikrokogenerační jednotky

Závěr

Měření ukázala, že mikrokogenerační jednotka je schopna zásobovat domácnost elektrickou energií a v kombinaci se zabudovaným kondenzačním kotlem i teplem v plném rozsahu. Do dne vzniku tohoto článku (20. 8. 2015) pracovala jednotka 11195 hodin, přičemž vyprodukovala 9,164 MWh elektrické energie s průměrnou elektrickou účinností 0,25, tepelnou účinností 0,64 a celkovou účinností 0,89. Testování ukázalo postupné snižování výstupního elektrického výkonu v závislosti na provozních hodinách. Důvodem snižování elektrického výkonu a elektrické účinnosti bylo postupné snižování účinnosti parciální oxidace zemního plynu a z toho vyplývající nižší množství získaného vodíku. V současnosti, po přibližně roku a půl provozu, už modul palivových článků neprodukuje elektrickou energii a je nutné ho vyměnit za nový.

Simulace startu, vypínání a výpadku elektrické energie ve vnější síti poukázaly na to, že nejde o pružný zdroj elektrické energie. Proto je výhodné jeho spojení s velkým akumulačním zásobníkem tepla, což přináší nepřetržitý provoz. Simulace výpadku elektrické energie ve vnější síti ukázaly, že jednotka v daném zapojení není schopna pracovat v ostrovním režimu dodávky elektřiny, ale je schopna zabezpečit alespoň trvalou dodávku tepla i v době, kdy neprodukuje výstupní elektrický proud.
Naměřené hodnoty výkonů, účinností a především životnosti tak poukazují na nutnost dalšího vývoje zařízení daného typu.

Článek vznikl v rámci Projektu 567/PG04/2011 Porovnání efektivnosti využití energie zemního plynu v mikrokogeneračních jednotkách na principu palivového článku a Stirlingova motoru a díky podpoře neinvestičního fondu EkoFond, zřízeného společností SPP. Úkol byl realizován v rámci řešení projektu Výzkumní centrum Žilinské univerzity, ITMS 26220220183.

Literatura
1. DVORSKÝ, E., HEJTMÁNKOVÁ, P.: Kombinovaná výroba elektrické a tepelné energie. Praha: Technical literature BEN, 2005.
2. HUŽVÁR, J., JANDAČKA, J., PILÁT, P.: Proposal of microcogeneration unit with biomass combustion. Experimental fluid mechanics 2008: International conference, November 26-28, 2008, Liberec, Czech Republic: conference proceedings. Liberec: Technical University, 2008.
3. LÁBAJ, J., KAPJOR, A., PAPUČÍK, Š.: Alternatívne palivá pre energetiku a dopravu. Žilina: GEORG, 2010.
4. KUČÁK, Ľ., URBAN, F.: Kogenerácia na báze palivového článku. Vykurovanie 2007. Zborník prednášok z 15. medzinárodnej konferencie, Tatranské Matliare, 26. 2. až 2. 3. 2007. Bratislava: Slovenská spoločnosť pre techniku prostredia ZSVTS, 2007. 
5. PATSCH, M., ČIERNY, J., JANDAČKA, J., MALCHO, M.: Mikrokogenerácia založená na technológii palivového článku. In: Slovgas – odborný plynárenský časopis, roč. 23, č. 2, 2014.
6. PEHNT, M., CAMES, M., FISCHER, C., PRAETORIUS, B., SCHNEIDER, L., SCHUMACHER, K., VOß, J. P.: Micro Cogeneration, Towards Decentralized Energy Systems. Berlín: Springer, 2006.
7. Technická dokumentácia mikrokogeneračnej jednotky s palivovým článkom Hexis Galileo, Hexis, a. g.

Ing. Marek Patsch, Ph.D., Ing. Peter Ďurčanský, Ph.D.
Autoři působí na Katedře energetické techniky Strojní fakulty Žilinské univerzity v Žilině.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.