Olbrzymi krok w kierunku komercjalizacji ogniw paliwowych do produkcji ciepła i energii w budynkach mieszkalnych
Dziesięć lat temu wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła bez zanieczyszczeń i przy znacznie mniejszej emisji gazów cieplarnianych było zbyt trudne, aby mogło znaleźć zastosowanie w gospodarstwach domowych. Obecnie stacjonarne ogniwa paliwowe są obiecującą alternatywą dla silników spalinowych wykorzystywanych do produkcji energii elektrycznej i kogeneracji ciepła w ramach układów mikrokogeneracji.
Zmniejszanie kosztów podstawowych komponentów ogniw paliwowych
Wśród różnych rodzajów układów mikrokogeneracji układy kogeneracji wykorzystujące ogniwa paliwowe mogą osiągać 90 % wydajności (w 60 % dla energii elektrycznej, a w pozostałej części dla energii cieplnej). Ich niski stosunek ciepła do mocy oznacza, że doskonale wpisują się w coraz powszechniejszy trend w domach, który charakteryzuje się wyższym zużyciem energii elektrycznej i niskim zapotrzebowaniem na ogrzewanie pomieszczeń. Pomimo dużego potencjału w zastosowaniach domowych układy mikrokogeneracji nie osiągnęły jeszcze etapu komercyjnego. Postępy osiągnięte w ramach finansowanego ze środków UE projektu HEATSTACK mogą być odpowiedzią na wyzwania związane z wysokimi kosztami kapitałowymi, które dotychczas uniemożliwiały komercyjne wdrożenie tej technologii. Główny nacisk położono na obniżenie kosztów produkcji dwóch najdroższych elementów układu na bazie ogniw paliwowych: stosu ogniw paliwowych i wymiennika ciepła, które stanowią największą część kosztów inwestycyjnych związanych z ogniwami paliwowymi. Naukowcy postawili na najnowocześniejszy układ mikrokogeneracji, który wykorzystuje ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem opracowane przez partnera projektu, firmę Sunfire. Dotychczas układ ten został poddany szeroko zakrojonym testom terenowym w ramach europejskich inicjatyw w zakresie wdrażania mikrokogeneracji w gospodarstwach domowych i jest jedną z najbardziej obiecujących technologii kogeneracji na bazie ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem, która ma szansę wkrótce wejść na rynek. Układ wykorzystuje innowacyjny katodowy podgrzewacz powietrza oparty na nowatorskim wymienniku ciepła gaz–gaz, który dostarcza do stosu ogniw paliwowych powietrze o określonej temperaturze. Obniżenie kosztów stosu ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem i katodowego podgrzewacza powietrza sprawi, że mikrokogeneracja stanie się bardziej konkurencyjna pod względem kosztów i atrakcyjna dla rynku.
Automatyzacja zadań wykonywanych ręcznie
„Domowy układ mikrokogeneracji firmy Sunfire gwarantuje wydajną kogenerację energii i ciepła dla gospodarstw domowych i działa z wykorzystaniem opłacalnych paliw – gazu płynnego lub gazu ziemnego”, wyjaśnia inżynier projektu Frank Mittmann. Aby osiągnąć produkcję seryjną, należy zautomatyzować kilka procesów. Jednym z nich jest wyeliminowanie pracy ręcznej i automatyczne nakładanie szczeliwa szklanego na powtarzalne elementy stosu ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem. „W trakcie prac w ramach projektu HEATSTACK firma Sunfire zoptymalizowała proces drukowania pasty szklanej na powtarzalne elementy stosu za pomocą specjalnej matrycy, uzyskując 10 % oszczędności w całkowitych kosztach produkcji stosu ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem”, dodaje Mittmann. Inżynierowie z działu badawczo-rozwojowego wyprodukowali 10 prototypowych stosów ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem z nadrukowaną pastą szklaną i przeprowadzili dokładne testy pod kątem ich kompatybilności mechanicznej, właściwości elektrycznych i długotrwałej stabilności. Zoptymalizowany stos ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem został zintegrowany z domowymi układami mikrokogeneracji firmy Sunfire. Przeprowadzono dalsze testy wydajności na poziomie układu, wykazując, że technologie zaprezentowane w ramach projektu HEATSTACK są gotowe do zastosowania w produkcji masowej.
Wykorzystanie pasty AluChrom w katodowym podgrzewaczu powietrza
Naukowcy pracujący w ramach projektu opracowali narzędzia i procesy, które skróciły czas wytwarzania katodowego podgrzewacza powietrza z 9 do 2,5 godzin. Wykazali również znaczną redukcję parowania chromu poprzez zastosowanie żaroodpornego stopu o nazwie AluChrom (zamiast Inconel 625) do płyt wymiany ciepła w katodowym podgrzewaczu powietrza. Wstępna obróbka cieplna pasty AluChrom wydłużyła żywotność ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem, zmniejszając w ten sposób ogólne koszty konserwacji.
Słowa kluczowe
HEATSTACK, mikrokogeneracja, ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem, kogeneracja, skojarzona gospodarka energetyczna, stos ogniw paliwowych, wymiennik ciepła, katodowy podgrzewacz powietrza
