Przełączanie między źródłami paliwa zapewnia stałe dostawy zielonej energii
System, który przełącza się między źródłami paliwa, może zapewnić stabilne dostawy niskoemisyjnej energii elektrycznej opartej na wodorze, np. dla transportowych stacji paliw. „Wykorzystaliśmy technologie ogniw stałotlenkowych do opracowania systemu produkcji wodoru z wykorzystaniem różnych paliw. Oznacza to, że ten sam system może być zasilany energią elektryczną, energią odnawialną i procesami elektrolizy wody, przełączając się między nimi w razie potrzeby” — wyjaśnia koordynator projektu Matteo Testi. Kieruje on jednostką Hydrogen Technologies and Resilient Energy Systems (HyRES) w Fundacji Bruno Kesslera we Włoszech. Wysokiej jakości ciepło z ogniwa paliwowego jest wykorzystywane do wydajnego wytwarzania wodoru. „Prototyp może rozbijać wodę w celu wytworzenia tlenu i wodoru o wysokiej czystości. Ale jeśli nie mamy energii odnawialnej, może przełączyć się na elektrolizę, aby przekształcić biometan w wodór do produkcji energii elektrycznej” — dodaje. System SWITCH opiera się na wcześniejszym projekcie finansowanym ze środków UE. Ów projekt o nazwie CH2P opracował prototyp do produkcji wodoru z biometanu przy użyciu stałotlenkowego ogniwa paliwowego (SOFC). Testi i jego zespół pragnęli rozszerzyć funkcjonalność o elektrolizę i wykorzystać różne rodzajów energii wejściowej. „Łatwo powiedzieć, ale produkcja wodoru za pomocą tych dwóch metod wejściowych oznacza dwa zupełnie różne procesy. Z inżynieryjnego punktu widzenia wymaga to innych komponentów i konstrukcji systemu, aby zmniejszyć straty energii związane z przełączaniem” — mówi. Wyzwaniem w fazie projektowania było znalezienie minimalnej liczby komponentów, które mogłyby współpracować z obydwoma procesami.
Wykrywanie poboru energii i dostosowywanie procesów
Unikalny system sterowania opracowany przez partnerów projektu wykrywa rodzaj pobieranej energii i płynnie dostosowuje procesy. Obejmuje to wykorzystanie elektrolizy do produkcji wodoru z odnawialnej energii elektrycznej lub krakingu parowego do przeróbki biometanu. „Istnieją normy, kodeksy postępowania i przepisy, których musimy przestrzegać, więc stworzenie solidnego, znormalizowanego sterowania dla stosu wielu ogniw, przy jednoczesnej integracji funkcji bezpieczeństwa, zajęło dużo czasu” — dodaje. „Zapewnienie, że odporne systemy bezpieczeństwa i kontroli zostały odpowiednio opracowane i zweryfikowane, miało kluczowe znaczenie dla systemu produkcji wodoru o dużej mocy”. W przypadku systemu sterowania zespół projektu przeszedł przez kilka prototypów, integrując systemy bezpieczeństwa i protokoły w celu obsługi warunków pracy i ryzyka związanego z poszczególnymi procesami.
Testy bezpieczeństwa i wytrzymałości
Optymalizacja efektywności i wydajności, zwłaszcza w zakresie przełączania między trybami poboru energii, wymagała szeroko zakrojonych testów i udoskonaleń, aby uzyskać prototyp, który można zademonstrować w środowisku operacyjnym. „Napotkaliśmy kilka problemów, ponieważ metodologia polegała na walidacji każdego komponentu z osobna - ogniwa, zmieniacza danych, parownika, reaktora. Zintegrowaliśmy je w oparciu o projekt symulacyjny, co pozwala oszczędzić czas i pieniądze. Został on zmontowany w dwóch kontenerach na terenie demonstracyjnym zarządzanym przez HyGear w Holandii” — zauważa, wspominając partnera konsorcjum z sektora technologii wodorowej. Pomimo zakłóceń spowodowanych pandemią COVID-19 w okresie demonstracyjnym, prototyp był testowany przez 1000 godzin w trybie elektrolizera wykorzystującego tlenki stałe (elektroliza), aby sprawdzić degradację stosu ogniw. „Nie zauważyliśmy żadnych śladów degradacji. Jest to ważne, ponieważ system jest złożony, a zanieczyszczenia mogą przedostawać się z różnych punktów” — dodaje Testi.
System modułowy dostosowany do zastosowań energetycznych
Prototyp został zaprojektowany jako system modułowy. Produkcja wodoru może być zwiększana lub zmniejszana poprzez dodawanie lub usuwanie modułowych komponentów, takich jak stosy ogniw paliwowych i powiązane podsystemy. „Pozwala to na dostosowanie systemu do konkretnych potrzeb oraz źródeł energii dostępnych w danej lokalizacji lub zastosowaniu” — mówi Testi.
Słowa kluczowe
SWITCH, energia, energia odnawialna, wodór, metan, biometan, stałotlenkowe ogniwo paliwowe, SOFC, CH2P, elektroliza, HyGear
