Energia Wiatrowa Energia wiatrowa w parze z wodorem

Published on May 22nd, 2017 | by Kamil Grzywacz

0

Wiatr i wodór. O alternatywnej metodzie składowania eko-energii.

May 22nd, 2017 by  

Artykuł gościnny nadesłany przez miłośnika wiatru – Mateusza Orlikowskiego.

Energia wiatrowa w parze z wodorem

 

Energia odnawialna oparta o siłę wiatru towarzyszy ludziom od bardzo dawna i nic nie wskazuje na to, aby ten trend miał się odwrócić. Nie ma się co temu dziwić – potencjał drzemiący w ruchach mas powietrza nadal wykorzystujemy w niewielkim stopniu, a szacowana ilość energii w tym medium może sięgać nawet 400 Terawatów, z czego około 25% stanowi warstwę 100 metrów nad powierzchnią Ziemi. Czysty, pozbawiony negatywnego wpływu na środowisko nośnik posiada jednak jedną nieprzekraczalną barierę: wiatr nie wieje zawsze wtedy, kiedy tego chcemy. Tak jak w latach starożytnych greckie triery nie mogły opierać się wyłącznie na naporze wiatru na żagiel i zmuszone były do dodatkowego źródła napędu w postaci rąk przy wiosłach, tak my dzisiaj nadal nie możemy opierać się o energetykę wiatrową jako jedyne źródło zasilania naszych domów.

Nie można jednak powiedzieć, że nie próbowaliśmy i nie próbujemy ograniczać losowości ruchów mas powietrza do minimum. Dobrym pomysłem stał się chociażby układ synergiczny turbin wiatrowych i paneli fotowoltaicznych, które razem potrafią stanowić źródło energii pokrywające się mniej więcej z dziennym zapotrzebowaniem energetycznym. Jednak w tym artykule chciałbym opisać i zaprezentować w praktyce rozwiązanie, które skradło moje eko-serce. Jest nim produkcja wodoru jako paliwa z nadwyżek energetycznych turbiny, a następnie przekonwertowanie z powrotem w energię elektryczną w momentach wzmożonego zapotrzebowania. Przejdźmy zatem do konkretów.

Wodór i wiatr – koncepcja synergii

Na działający w tej koncepcji układ składają się następujące elementy: turbina wiatrowa, elektrolizer, zbiornik na wodór oraz ogniwa paliwowe. Schemat ideowy prezentuje się następująco – turbina generuje energię elektryczną pokrywając zapotrzebowanie konkretnego obszaru na prąd (budynek mieszkalny, kompleks budynków). Nadwyżki energii konwertowane są za pomocą elektrolizera do postaci wodoru. W momentach niedoboru energii lub braku pracy turbiny, układ uruchamia ogniwa paliwowe, w których spalanie wodoru generuje potrzebną energię elektryczną.

Z technologicznego punktu widzenia, wodór zdaje się być paliwem doskonałym – wysoka wartość opałowa na poziomie 120 MJ/kg, mała masa cząsteczkowa, a w dodatku przy jego wykorzystaniu nie generujemy szkodliwych substancji, gdyż produktem spalania jest woda.
Jest też wydajnym paliwem dla ogniw paliwowych wykorzystywanych w omawianej koncepcji.

No dobrze, ale ktoś mógłby stwierdzić: „chwila, a dlaczego nie wykorzystać akumulatorów do magazynowania energii zamiast komplikować układ elektrolizerem i ogniwami paliwowymi?”. I tutaj można wskazać słuszność tej tezy, jednak użycie ich obarczone jest wieloma negatywnymi czynnikami, z których najistotniejsze to:

  • wysoka cena jednostkowa;
  • mała pojemność pojedynczego akumulatora, która wymusza stosowanie baterii o znacznej powierzchni i zwiększonych kosztach, związanych np. z chłodzeniem
  • stosunkowo krótki czas eksploatacji, który wymusza wymiany zużytych ogniw akumulatorowych w bateriach.

Dlatego też w mojej ocenie rozsądnym zdaje się wykorzystać inny sposób magazynowania energii, z których sensownym wydaje się użycie wysokoenergetycznego paliwa, jakim jest wodór.

Pytanie zasadnicze – czy to działa?

Okazuje się, że tak. Mamy na świecie kilka miejsc, w których hybrydowe połączenie paliwa wodorowego z energetyką wiatrową znalazło swoją niszę. Głównym rejonem badań nad nim (bo nadal jest to mimo wszystko w fazie konceptualizacji) są Stany Zjednoczone, które wiodą prym zwłaszcza w produkcji wodoru. Z europejskiego „podwórka” natomiast można wskazać przykład instalacji na norweskiej wyspie Utsira. Pomysł powstał przy współpracy niemieckiego potentata w produkcji turbin wiatrowych ENERCON oraz norweskiego koncernu energetycznego HYDRO i działa od 2004 roku  jako podstawa do badań tej technologii w praktyce. W związku z utrudnionym dostępem do sieci energetycznej na omawianej wyspie, autonomiczny system turbin wiatrowych zasila 10 budynków mieszkalnych. Zdjęcie poniżej przedstawia gotową instalację, od lewej turbina wiatrowa, elektrolizer  oraz kompresor ze zbiornikiem, po prawej ogniwa paliwowe oraz układ łączący instalację z siecią energetyczną. 

 

Układ turbina-elektrolizer-ogniwa paliwowe

Układ turbina-elektrolizer-ogniwa paliwowe na wyspie Utsira

 

Lata działania pokazują najważniejsze osiągnięcia tej instalacji:

  • ponad 8 miesięcy samodzielnej pracy, niezależnej od sieci energetycznej;
  • wysoka jakość produkowanej energii;
  • duża dostępność energii w ciągu roku;
  • bezwypadkowość i bardzo niska awaryjność instalacji.

Jeśli chodzi o wydajność, najlepiej wątek podsumowuje wykres dobowego zapotrzebowania energetycznego prezentowany poniżej:

Dobowe zapotrzebowanie na energię elektryczną z instalacji wiatrowo-wodorowej.

Dobowe zapotrzebowanie na energię elektryczną z instalacji wiatrowo-wodorowej.

 

Wykres idealnie oddaje koncepcję wykorzystania energii wiatrowej do produkcji wodoru. Wskazuje na zwiększone zapotrzebowanie na energię wśród konsumentów w godzinach porannych oraz popołudniowych. W sytuacjach nadwyżki energetycznej produkowanej przez turbinę wiatrową, kierowana jest ona do elektrolizera wytwarzającego wodór. O porach mniejszej wietrzności, kiedy turbina nie zaspokaja potrzeb energetycznych, sterownik uruchamia ogniwo paliwowe i w ten sposób wyrównywana jest podaż energii. W sytuacji powrotu korzystnych warunków wiatru, uzupełniany jest zbiornik z wodorem korzystając z nadwyżek produkowanych przez turbinę. Cykl jest zamknięty i w całości samowystarczalny.

Mimo wszystko jednak technologia ta nadal jest w powijakach i trudno będzie się jej przebić przez następne lata do wykorzystania na szerszą skalę. Niestety konkurencja paliw kopalnych, takich jak ropa naftowa czy węgiel kamienny skutecznie blokuje tego typu inicjatywy, głównie swoją niską ceną jednostkową. Jednak w obliczu wyczerpywania się wspomnianych źródeł energii prędzej czy później będziemy zmuszeni do wykorzystywania kolejnych pomysłów z energetyki niekonwencjonalnej, co może w konsekwencji przynieść podobne (i może nieco szalone) rozwiązania.

 

Źródła:
Utsira – demonstrating the renewable hydrogen society, Lyon 2006
IPHE Renewable Hydrogen Report, 2011
The Norwegian HYDROGEN GUIDE, 2016
Lewandowski, Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wyd. Naukowo-techniczne, 2007

 

 

Comments

comments

Tags: , , , ,


About the Author

Status: w związku - z nowymi technologiami. Internet i jego mechanizmy zna lepiej niż własne, Trójmiejskie podwórko. Podczas biegu lubi oddychać czystym powietrzem i nie zanieczyszczać go podczas jazdy samochodem. Jak może to wybiera rower lub komunikacje publiczną. Stąd też wielka pasja do pojazdów elektrycznych, którą stara się zarażać publicznie.



Leave a Reply

Back to Top ↑