Tüzelôanyag-cellák lakások és kórházak áramellátására
A gépkocsik és autóbuszok meghajtására alkalmas típusok után most a nagyobb, egy-egy lakás, avagy akár egy épület áramellátására alkalmas tüzelôanyag-cellák kifejlesztésén dolgoznak a kutatók. A környezetvédelmi szempontok növekvô fontossága ösztönzôen hat a tüzelôanyag-cellák fejlesztésére, mind a jármûvek, mind az épületek számára. E cellák legfontosabb elônye, hogy hidrogén oxidációjával közvetlenül, tisztán, szennyezô melléktermékek nélkül egyenáramot állítanak elô úgy, hogy csak víz, hô, és – ha a hidrogén szénhidrogénekben van – szén-dioxid keletkezik. Vannak azonban mûszaki elônyeik is, mint a hagyományos erômûvekénél jobb hatásfokuk. A megvalósíthatóság akadályai szerencsére inkább gazdaságiak, mint mûszakiak.
~~~
Bár a tüzelôanyag-cellát 160 évvel ezelôtt (pontosabban 1839-ben) találta fel William Grove, az ügyvédbôl lett angol fizikus, alkalmazása magas ára miatt a legutóbbi idôkig a katonai és ûrfelhasználásokra korlátozódott, jobbára ûrrepülôgépek és tengeralattjárók üzemanyag-ellátására. Az üzemanyagcellás áramtermelô (a jelenlegiek teljesítményei miatt talán indokolatlan az "erômû" megnevezés) egyedi cellák összekapcsolt csoportjából, vagy csoportjaiból áll (1. ábra). Ezek rendszerint tartalmazzák a tüzelôanyag-feldolgozó (reformáló) részt, amely hidrogént nyer olyan hagyományos tüzelôanyagokból, mint a földgáz, de arra is lehetôség van, hogy egy tartályból hidrogént vezessenek be. Mivel a cellák egyenáramot termelnek, feltétlenül szükség van áramátalakítóra (inverterre) is a váltakozó áram elôállításához.
1. ábra. Az American Power Co. lakások áramellátására kifejlesztett típusának elvi vázlata. A cella földgázzal, vagy propánnal müködik, teljesítménye 3 kW (20 voltos váltakozó árammal). Akkumulátoraival 10 kW csúcsteljesítmény leadására képes. Tesztelését 1999-ben kezdték húsz helyen. A prototípus két protoncserélô, membrános (PEM) tüzelôanyag-cella csoportból áll, melyek mindegyike 1,75 kW-ot tud leadni. Tartalmaz még egy 5 kW os egyen-váltakozó áramú átalakítót (invertert) 10 kW os csúcskapacitással és a terhelés kiegyensúlyozására nyolc ólomakkumulátort. Látható, hogy a többi komponens mellett maga a fûtôanyagcella milyen kicsi.
A tüzelôanyag-cellás rendszer elônye nemcsak az, hogy lényegében nem bocsát ki szennyezô anyagokat, hanem a hatásfoka is a kétszerese lehet egy hagyományos hôerômûének (2. ábra). Mi több, a hatásfok független a terheléstôl, míg a hagyományos hôerômûvek az optimális hatásfokot a csúcsterhelésnél érik el. Másrészt míg egy erômû jellemzô beruházási költsége az Egyesült Államokban 500-1500 USD/kW, a jelenleg kereskedelmi forgalomban lévô tüzelôanyag-cellákra ez az érték 3000 USD/kW (a mobilokra még jóval magasabb). Ez a magas költség csak bizonyos esetekben teheti indokolttá a tüzelôanyag-cellák használatát, ahol különleges megbízhatóság szükséges (például katonai védelmi berendezések, kórházak). Ehhez hasonló alkalmazás még kevés van, de számuk növekszik.
2. ábra. Elektromosáram-termelés hatásfoka
és kapacitása közti összefüggés a különféle
rendszereknél. A tüzelôanyag-cellák a tüzelôanyag
kémiai energiájának nagy részét elektromos
árammá alakítják. Bizonyos cellatípusok
hatásfoka a hulladékhô hasznosítása nélkül
is elérheti a 65%-ot, gázturbinával kombinálva
még többet. A jelenlegi tüzelôanyag-cellás
rendszerek legjobbjai már meghaladják az egyszerû ciklusú
gázturbinák 45%-os hatásfokát.
Típusok és jellemzôik
A tüzelôanyag-ceilák az akkumulátorokra emlékeztetnek
annyiban, hogy elektrokémiai reakciókban egyenáramot
állítanak elô. Ezekben is két elektród
van, egy anód és egy katód, melyeket elektrolit választ
el egymástól. Az akkumulátorokhoz hasonlóan
ezeket is teleppé kapcsolják sorba (egy cella kapocsfeszültsége
egy volt körül van), hogy a használathoz szükséges
feszültséget és kimenôteljesítményt
elérjék.
Az akkumulátoroktól eltérôen a tüzelôanyag-cellákból nem a kémiai formában tárolt elektromos energia szabadul fel, hanem valamilyen, sok hidrogént tartalmazó tüzelôanyagot alakít át elektromos árammá és addig mûködik, amíg tüzelôanyagot táplálnak be. A lehetséges szénhidrogén tüzelôanyagok közé tartozik a földgázon kívül a szénbôl készíthetô úgynevezett szintézisgáz, a hulladéklerakókból nyerhetô biogáz, valamint olyan egyszerû alkoholok, mint a metanol.
A tüzelôanyag-cellákat az elektrolit típusa szerint osztályozzák (1. táblázat). Vannak olyan elektrolitok, mint a foszforsav és az olvadt nátrium-, vagy kálium-karbonát, amelyek nehezen kezelhetôk. Mindegyik alaptípus 80 és 1000 Celsius-fok között, egy rá jellemzô hômérsékleti tartományban mûködik.
1. táblázat Tüzelôanyag-cellák jellemzôi
| Típus és rövidítés | Mûködési hômérséklet (oC) | Jellemzô elektrolit |
| Lúgos | 80-95 | Folyékony kálium-hidroxid |
| Protoncserélô, (polimer elektrolit) membrános (PEM) | 80-95 | Szilárd perfluorozott szulfosavion-cserélô membrán |
| Foszforsavas (PAFC) | 175-200 | Teflon kötôanyagú szilícium-karbidra diszpergált folyékony foszforsav |
| Olvadt karbonátos (MCFC) | 540-650 | Lítium-alumínium-oxid mátrixban megkötött alkáli (Na/K)-karbonát |
| Szilárd oxidos (SOCF) | 980 | Szilárd, ittriummal stabilizált cirkónium-dioxid |
Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma és az energiaipar a foszforsavas, az olvadt karbonátos és a szilárd oxidos cellákat tartja a legalkalmasabbaknak elektromosáram-termelés céljára magas hatásfokuk miatt, s így elsôsorban ezek fejlesztését tervezik. A negyedik, a protoncserélô membrános típust, amelyet polimer elektrolitos (PEM)1 néven is ismernek, kis helyigénye és súlya miatt a jármûvekhez részesítik elônyben, de stabil felhasználásokhoz is megfelelô lenne, ha gyártását gazdaságos léptékben végeznék. Az ötödik csoport, a lúgos tüzelôanyag-cellák jelentôsége magas áruk miatt a többiekhez képest csekély és csak az ûrbeli aikalmazásokra korlátozódik.
A foszforsavas tüzelôanyag-cellák (PAFC)2 technológiája a legkiérleltebb a stabil (helyhez kötött) áramtermeléshez. Kulcsrakész, 200 kW-os üzemeket a világon már több mint hetven helyen szereltek fel és üzemeltetnek. Mivel 200 Celsius-fok körül mûködnek, hulladékhôt is termelnek, amelyet vízmelegítésre és fûtésre lehet felhasználni. Az üzemanyagra számított elektromos hatásfokuk 40% felett van, de ha a teljes hulladékhôt is hasznosítják, hatásfokuk 80%-nál is jobb.
Az olvadt karbonátos tüzelôanyagcellákból (MCFC)3 álló 250 kW-os áramtermelôk bemutató példányait most tesztelik. Hatásfokuk az elektromosáram-termelésre megközelíti az 50%-ot. Magas, 650 Celsius-fokos üzemelési hômérsékletük következtében az ilyen cellákból álló telepek alkalmasak kombinált ciklusú alkalmazásokra, amelyekben a cellák által kibocsátott hô (gázáram) felhasználható egy turbina (és természetesen a rákapcsolt generátor) meghajtására. Ilyen, kombinált ciklusú mûködtetés esetén elektromos hatásfokuk megközelítheti a 60-65%-ot.
A szilárd oxidos tüzelôanyag-cellák (SOFC)4 még az olvadt karbonátos egységeknél is korábbi, demonstrációs fázisban vannak. Jelenleg a csúcs egy 100 kW-os kerámiacellás konstrukció kipróbálása, amelyben az elektrolit ittriummal stabilizált cirkónium-dioxid. 1000 Celsius-fokig terjedô üzemelési hômérsékletével a szilárd oxidos celláknál is alkalmazható a kombinált ciklusos használat. Hatásfokuk az olvadt karbonátos cellákéhoz hasonló.
Ami a szinte kizárólag jármûvekben használt protoncserélôs, membrános (PEM) technológiát illeti, stabil áram termeléshez más felépítésû egységekre van szükség. Ezekben például kell hogy legyen az egyenáramot váltakozóvá alakító inverter, viszont kevésbé kritikus a méretük és a súlyuk. Ahhoz, hogy gazdaságosak legyenek, legalább 40 000 órát kellene mûködniük a teljesítmény lényeges romlása nélkül.
A PEM-üzemanyagcellás berendezések nem mobil célokra
történô alkalmazásának lehetôségét
csak újabban kezdték behatóan tanulmányozni.
A PEM alacsony mûködési hômérséklete
és az a képessége, hogy nagy áramsûrûségnél
is mûködjék, gyors indítást és könnyû,
kisméretû cellaszerkezetet tesz lehetôvé (ezért
választották jármûvekhez). Másrészt
a jármûvekhez eddig kísérleti célokra
kifejlesztett konstrukciók rendkívül költségesek
és még a fejlesztésben kitûzött célok
is elég lehangolóak: 1000 USD/kW költség olyan
rendszerre, amelynek élettartama mintegy 5000 óra. A tüzelôanyag-cella
hardverje az újonnan kifejlesztett, folyékony hidrogénnel
mûködô Necar 4 nevû kocsiban 30 000 dollárba
kerül, azaz tízszer annyiba, mint egy hagyományos motor.
Ahhoz, hogy a PEM-rendszerû áramtermelôk stabil alkalmazásokhoz
a mai árampiacon valamelyest versenyképesek legyenek, el
kell érniük a 800-1200 USD/kW értéket.
A tüzelôanyag átalakítása a felhasználáshoz
Ha nem hidrogént, hanem hidrogéntartalmú szénhidrogént
használnak, a foszforsavas, a PEM- és némelyik olvadt
karbonátos tüzelôanyag-cellás áramtermelôhöz
hidrogént elôállító rendszer (bár
nagyon kicsi) is szükséges, utánozva ezzel számos
korszerû nagyüzemben használt technológiát,
amelyekben a helyszínen kell hidrogént elôállítani.
Más típusú olvadt karbonátos, és a szilárd
oxidos tüzelôanyag-cellákban a magas üzemelési
hômérséklet következtében magában
a cella belsejében tudják a földgázt átalakítani
(reformálni). A gôz, vagy önhevítô reformáló
a földgázt szén-monoxid és hidrogén keverékévé
alakítja. A szén-monoxid nagy része katalizátorcjelenlétében
a vízgôzzelctovábbi hidrogén és szén-dioxid
képzôdése közben reagál. A PEM-tüzelôanyagcellák
esetében a platinakatalizátort a szén-monoxid tönkretenné
(megmérgezné), ezért a maradék szén-monoxid
átalakítására valamilyen szelektívebb
katalizátort alkalmaznak. Mindezek a folyamatok az áramtermelô
egységben mennek végbe.
Lakások áramellátására szolgáló
rendszerek
Számos, lakásokhoz alkalmazható PEM-áramfejlesztõ
rendszer tervezése folyik napjainkban is. Ezek üzemanyaga hidrogén,
amelyet földgázból állít elô az
áramtermelô egységben lévô reformáló
rendszer. A csúcsfogyasztáskor bekapcsolódó
akkumulátorokat a rendszer azokban az idôszakokban tölti
fel, amikor az áramtermelô alapkapacitás meghaladja
a fogyasztást. Megjegyezzük, hogy bár az elmúlt
tíz évben az intenzív kutató-fejlesztô
munka eredményeként az ilyen tüzelôanyag-cellák
költségei tizedére csökkentek, a gyakorlati alkalmazáshoz
még további jelentôs költségcsökkentés
szükséges, hogy elérjék a hagyományos
erômûvek 500-1500 USD/kW-os költségszintjét.
A bostoni American Power Co. berendezése két PEM-tüzelôanyag-cellából és nyolc ólomakkumulátorból áll (1. ábra). A cellák kimenõ teljesítménye 3 kW, ami az akkumulátorok segítségével 10 kW-os csúcsterhelést tesz lehetôvé. Méretét tekintve a teljes berendezés akkora, mint egy nagyobb hûtôszekrény, és az elôállító célja, hogy szerényebb léptékû sorozatgyártás esetén ára ötezer dollár alatt legyen. Jelenleg a prototípus egy példánya mûködik. A hatóságok közszolgáltatásokhoz néhány tucat egységet rendeltek demonstrációs célokra és tapasztalatszerzésre.
Más cégek családi házak áramellátására alkalmas típus fejlesztésébe kezdtek. Ebben ugyancsak PEM-tüzelôanyag-cellákat kombináltak akkumulátorokkal egy olyan rendszerhez, amely már ki tudja elégíteni egy 275-375 négyzetméteres ház teljes elektromos energiaszükségletét.
3. ábra. Tüzelôanyag-cellából és mikroturbinából álló hibrid áramfejlesztô. A szilárd oxidos tüzelôanyag-cellából és gázturbinából álló hibrid áramfejlesztônél a kimenô elektromos teljesítmény 60%-át a tüzelôanyag-cella, 40%-át a gázturbinára kapcsolt generátor adja. A turbinából távozó meleg levegôt vezetik a tüzelôanyagcellába.
Gázturbinával kombinálva
Az elektromos teljesítmények s egyúttal a hatásfokok
maximalizálására az áramfejlesztôk a
hôerômûvektôl az atomerômûvekig az
úgynevezett kombinált ciklusok módszerét alkalmazzák.
A tüzelôanyag-cellás áramtermelést is kifizetôdô
más áramtermelô móddal kombinálni, például
a szilárd oxidos tüzelôanyag-cellához gázturbinát
adni. A kombináció azért elônyös, mert
egyszerre két problémát is megold: növeli a hatásfokot
és nem lép fel a kis gázturbinák önálló
használatakor keletkezô viszonylag sok nitrogén-oxid.
Tájékoztatásul: a kis, 10 MW-osnál kisebb gázturbinák
hatásfoktartománya 25-30%. A kombinált rendszer teljesítmény-beruházási
költség arányát tekintve is elônyös.
A magas hômérsékleten üzemelô, kis teljesítményû
szilárd oxidos és olvadt karbonátos áramfejlesztôk
költségét 1000-1500 USD/kW-ra becsülik, ha 2000
után meg fognak jelenni a piacon. Úgy vélik, hogy
a kombinált rendszer teljesítményre számított
beruházási költsége jóval alacsonyabb
lesz, nagyjából annyi, mint az önálló,
kisebb hatásfokú gázturbinás erômûveké.
A vázolt hibrid rendszerben, amelyben a tüzelôanyag-cellák
égôkamraként mûködnek, amennyiben biztosítják
a plusz elektromos energiát termelô turbina meghajtásához
szükséges forró gázáramot, a tüzelôanyag
elektromos energiává alakításának hatásfoka
még az 1 MW-osnál kisebb méretben is 60% fölé
emelkedik. Ez jóval magasabb, mint bármely más (azonos
méretû) elektromosenergia-termelô rendszer hatásfoka
(2.
ábra). Nagyobb rendszerekkel – a 100–400 MW-os tartományban
– 75% feletti hatásfok érhetô el. Viszont míg
az ebbe a teljesítménytartományba tartozó gázturbinák
kereskedelmi forgalomban kaphatók, az ekkora erômûvekhez
szükséges tüzelôanyag-cellákat valószínûleg
csak egy-két évtized múlva lesznek képesek
gyártani. Pillanatnyilag a kis, vagy mikrotüzelôanyag-cellákból
és gázturbinákból álló rendszerek
kutatása-fejlesztése folyik. Készült már
olyan, csõ alakú, szilárd oxidos cellatelep, kis gázturbinával
kombinált 1,3 MW-os rendszerhez, amelytôl legalább
63%-os hatásfokot várnak (3. és 4. ábra).
A teljesítmény jelentôs fokozását érik
el a (jelenleg kipróbálás alatt lévô)
túlnyomásos szilárd oxidos tüzelôanyagcellák
alkalmazásával.
4. ábra. A Siemens Westinghouse 1 MW os-tüzetôanyag-cellás áramfejlesztô erômûve szilárd oxidos cellákból és gázturbinából áll (a hozzákapcsolt generátorral)
Piaci távlatok
A világ legnagyobb részén az elektromosság
nagy, összetett hálózaton keresztül jut el a felhasználókhoz.
Az áramellátás ingadozásai (ha ilyenek vannak)
nyilván kevésbé okoznak gondot mondjuk egy lakóházban,
mint a bonyolult termelési folyamatokat alkalmazó ipari komplexumokban,
vagy különleges intézményekben. A tüzelôanyag-cellás
áramtermelôk elsô piacai azok a fogyasztók lehetnek,
amelyeknél a különlegesen nagy megbízhatóság,
áramminôség és környezetvédelmi
szempontok (szigorú emissziós elôírások)
fontosabbak, mint a hálózati áram olcsóbb ára.
Ilyen célokra az elsôk a konténerekben elhelyezett,
200 kW-os foszforsavas rendszerek voltak. Ezek már harminc helyen
találhatók meg katonai berendezésekben, kórházakban,
szanatóriumokban, szülôotthonokban, idôsek otthonaiban,
szállodákban, motelekben, kollégiumokban, börtönökben,
kisebb áruházakban, kémiai anyagokat elôállító
üzemekben, folyamatos üzemû gyártási folyamatok
ellátására, adatfeldolgozó és távközlési
központokban, vagyis olyan helyeken, ahol egy áramszünet
különösen nagy bonyodalmakat okozna.
Az Egyesült Államok energiahivatalának támogatásával számításokat végeztek, hogy milyen beruházási költségek esetén lehetnek a tüzelôanyag-cellás áramtermelô berendezések versenyképesek a különbözô fogyasztók körében. A jelentés arra a következtetésre jutott, hogy a tüzelôanyag-celláknak (legalábbis kezdetben) jobb esélyeik vannak a kereskedelmi létesítmények, mint a lakások ellátására, mert a piac itt tudja jobban elismerni a magasabb árakat. A fogyasztói kategóriák megoszlását a 2. táblázat mutatja be.
2. táblázat Fogyasztótípusok energiaigénye és piaci részesedése (az Egyesült Allamokban)
| Épületfajta | Alapterhelési igény kW-ban
(1;2;) |
Részesedése az amerikai piacon (%) |
| Nagy, sokemeletes iroda. Legnagyobb kórházak és szállodák. Nagy bevásárlóközpont | 1000 | 20% |
| Kórház (200-300 ágyas). Nagy szálloda (750 szoba). Iroda (20 000 m2). Iskola (12 000 m2). Nagy üzlet | 200–1000 | 35% |
| Kis irodaház (900 m2) Átlagos szálloda (125 szoba). Soklakásos ház (100lakás) | 50–200 | 35% |
| Gyorsétterem (400 m2) Iroda (400 m2). Soklakasos ház (25 lakás) | 10–50 | 10% |
1; A csúcsterhelés ennek két-háromszorosa; 2; Kevés olyan épület van Európában, amelynek alapterhelése 1 MW-nál nagyobb volna
Pillanatnyilag az egyedüli, kereskedelmi forgalomban lévô tüzelôanyagcellás áramfejlesztô 200 kW-os berendezése, amelybôl eddig több mint százhetven darabot értékesítettek. Ez a modell egy 3 méter széles, 3 méter magas és 5,5 méter hosszú konténerben van elhelyezve, amelyben a foszforsavas tüzelôanyag-cellák földgázzal mûködnek. Teljesítménye elég egy átlagos szállodának. Jelenleg harminc helyen használják katonai létesítményekben, ahol 3000-4500 dolláros ára elfogadható. Az elôállítatt áram mellett képzôdött hulladék hôt a helyszínen hasznosították különbözô célokra (vízmelegítés; fûtés). A hadügy-minisztérium vásárlásainak kettôs célja volt: egyrészt a különbözô idôjárási körülményeknek kitett, különbözô tengerszint feletti magasságokon lévô berendezések üzemeltetési tapasztalatai a további fejlesztést segítik, másrészt az állam a piac növelésén keresztül támogatja a további kutatásokat. Mint minden új terméknél, a tüzelôanyag-cellás áramfejlesztôknél is az elôállítási költség csökkentésének kulcsa az elôállítás mennyiségének növelése.
Végezetül, ami a jövôt illeti: szakmai körök
véleménye szerint öt éven belül jelenhetnek
meg versenyképes áron a jelenleg leginkább igényelt,
200-2500 kW-os teljesítményû tüzelôanyag-cellás
rendszerek. Természetesen – mint minden bonyolult technológiai
fejlesztésnél – itt is adódhatnak elôre nem
látható nehézségek. Nagyon valószínû
viszont, hogy még sokáig nem lesznek több száz
megawattos, tüzelôanyagcella alapú erômûvek.
IRODALOM
1. IEEE Spektrum, 5 és 9/1999
2. Nature, 404, No 6777 (2000)
3. Umweltschutz 3/2000
1. Proton exchange membrane
2. Phosphonic acid fuel cell
3. Molten carbonate fuel cell
4. Solid oxide fuel cell
|
A tüzelõanyag-cellák hidrogén és oxigén elektrokémiai egyesítésével állítanak elõ áramot. A hidrogént többféle forrásból nyerhetik: lehet egy tartályból tiszta hidrogént betáplálni, egy külsô tüzelõanyag-feldolgozóban (reformerben) végrehajtott folyamatból nyert, hidrogént tartalmazó gázkeverék formájában, vagy pedig gáz alakú szénhidrogénekbôl magában a cellában reformálással elôállítva. Az oxigént tiszta gáz formájában vezetik be, vagy a levegôbôl nyerik. A porózus pozitív és negatív elektródokat, amelyek a tüzelôanyagot és az oxidáló gázokat abszorbeálják, elektrolit választja el egymástól. A cellák típusainak elnevezése az elektrolit szerint történik. Az elektrolit az a közeg, amely az ionokat szállitja az elektródok között. A hidrogént valamennyi típusnál az anódra vezetik. A foszforsavas és a protoncserélôs, membrános típusokban egy katalizátor (rendszerint platina) segítségével minden hidrogénmolekulából két protont szakítanak ki. Ezek haladnak át a cellára kapcsolt külsö áramkörön (fogyasztó). Ezalatt a cellában a hidrogénionok az elektroliton át a katódra vándorolnak, ahol az O2 és a külsô áramkörbôl visszatérô elektronok reakciójával oxigénionok (O–) keletkeznek. Végül a hidrogén- és az oxigénionok vízzé egyesülnek. A szilárd oxidos cellákban az oxigén a katódon reagál a visszatérõ elektronokkal, és a keletkezô ionok mennek át az elektroliton az anódra, ahol elektronjaik lehasadnak (víz keletkezik). Az olvadt karbonátos tüzelôanyag-cellákban az elektronokat az anódon távolítják el a karbonátionokból, amelyek a katódon képzôdnek szén-dioxid és a visszatérõ elektronok reakciójával, majd a karbonátionok az anódra kerülnek. A szilárd oxidos és az olvadt karbonátos cellákban tehát a víz az anódon keletkezik. A vízképzôdési reakciók exotermek,
melléktermék mindössze vízgôz és
hô. Megjegyezzük, hogy a cellákat a felhasználáshoz
szükséges feszültség elérésére
sorba kell kapcsolni, mert egyegy cella kapocsfeszültsége csak
0,7–0,8 volt.
|