Akumulace energie z fotovoltaiky do vodíku

Rok / Year: 2011

Svazek / Volume: 13

Číslo / Number: 4

Akumulace energie z fotovoltaiky do vodíku Energy storage from photovoltaic to hydrogen Petr Moldřík, Roman Chválek [email protected], [email protected] Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - Technická Univerzita Ostrava

Abstrakt: V laboratoři palivových článků na VŠB - TU Ostrava byl realizován ostrovní energetický systém pro akumulaci obnovitelné energie do vodíku. Obnovitelným zdrojem jsou fotovoltaické panely, které napájí střídavou zátěž (spotřebič) uvnitř laboratoře. Aby byla zajištěna kontinuální dodávka elektřiny, tedy i v nočních hodinách, je přes den přebytek energie z fotovoltaiky akumulován v olověných bateriích a především ve formě plynného vodíku, vyráběného elektrolyzérem. V tlakových lahvích uskladněný vodík je posléze v nočních hodinách spotřebováván palivovými články a vyrobená elektřina dodávána do zátěže.

Abstract: The fuel cells laboratory at the VSB-Technical University of Ostrava have recently finished the realization of the laboratory energetic system for storage of electric power from renewable energy source - photovoltaic panels. To ensure a continuous supply of electricity, including at night, during the day the surplus energy from photovoltaic panels is accumulated in a lead-acid batteries, and also in the form of the hydrogen gas produced by the electrolyzer

2011/39 – 11. 7. 2011

VOL.13, NO.4, AUGUST 2011

Akumulace energie z fotovoltaiky do vodíku Petr Moldřík, Roman Chválek Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - Technická Univerzita Ostrava Email: {petr.moldrik, roman.chvalek}@vsb.cz

Abstrakt – V laboratoři palivových článků na VŠB - TU Ostrava byl realizován ostrovní energetický systém pro akumulaci obnovitelné energie do vodíku. Obnovitelným zdrojem jsou fotovoltaické panely, které napájí střídavou zátěž (spotřebič) uvnitř laboratoře. Aby byla zajištěna kontinuální dodávka elektřiny, tedy i v nočních hodinách, je přes den přebytek energie z fotovoltaiky akumulován v olověných bateriích a především ve formě plynného vodíku, vyráběného elektrolyzérem. V tlakových lahvích uskladněný vodík je posléze v nočních hodinách spotřebováván palivovými články a vyrobená elektřina dodávána do zátěže.

1 Úvod Systémům pro akumulaci elektrické energie na bázi vodíkových technologií je v blízké budoucnosti předpovídáno rozsáhlé uplatnění, zejména v souvislosti s obnovitelnými zdroji energie s nestabilní a nespolehlivou dodávkou elektrické energie, jejichž instalovaný výkon se neustále zvyšuje. Výzkumu využití vodíkových technologií ve spojitosti s nespolehlivými OZE se věnuje mnoho pracovišť na celém světě. Za posledních deset let bylo uvedeno do provozu již několik

pilotních projektů vodíkového akumulačního systému. Na výzkumném pracovišti na VŠB - TU Ostrava byl v nedávné době zprovozněn laboratorní akumulační systém na bázi vodíkových technologií. Poznatky, které byly získány při realizaci tohoto systému, jsou uvedeny v tomto článku. Byly použity k ověření mnohých informací a především k definovaní problémů při vytváření tohoto a obdobných energetických systémů.

2 Laboratoř palivových článků Provoz laboratoře palivových článků na VŠB - Technické Univerzitě Ostrava byl zahájen v roce 2007. Laboratoř byla vybudována za přispění dvou pracovišť: Fakulty elektrotechniky a informatiky a Fakulty strojní. Výzkum v rámci této laboratoře se ubírá dvěma směry: Výzkum mobilních zařízení využívajících vodík jakožto energetického nosiče (vozidlo s nízkou spotřebou paliva pro městský provoz). [1] • Výzkum stacionárních jednotek založených na palivových článcích pro výrobu a dodávku elektrické energie do distribuční sítě (on-grid systémy), tak i k napájení izolovaných ostrovních systémů (off-grid systémy). [2] •

Aktuálně se v laboratoři provádí výzkum akumulace obnovitelné energie do vodíku. Jedná se o off-grid systém, jehož zjednodušené blokové schéma je na Obrázku 1

3 Akumulační systém Námi zprovozněný vodíkový akumulační systém využívá jako primární zdroj obnovitelné energie energii slunečního záření. Ta je transformována na energii elektrickou prostřednictvím fotovoltaických (FV) panelů, které jsou umístěny na střeše objektu laboratoře palivových článků. Je instalováno 12 polykrystalických panelů typu Schott Poly 165, každý o

Obrázek 1: Schéma systému s vyznačením měřicích bodů

39 – 1

2011/39 – 11. 7. 2011

VOL.13, NO.4, AUGUST 2011

výkonu 165 Wp. Celkový instalovaný výkon FV panelů je 1980 Wp. [3] Vzájemné propojení FV panelů je sério-paralení, z důvodu zajištění dostatečného pracovního napětí nabíječe baterií a dále z důvodu minimalizace proudu (výkonových ztrát). Nejdůležitější parametry FV panelů jsou uvedeny v Tabulce 1. Tabulka 1: Parametry FV panelů (pro 1000 W.m-2, 25 °C) [4] Jmenovitý výkon (celkový)

1980 Wp

Napětí při jmenovitém výkonu

105,3 V

Proud při jmenovitém výkonu

18,8 A

Napětí naprázdno

130,8 V

Proud nakrátko

21,08 A

Účinnost 1 panelu

12,6 %

Počet FV panelů

12

Obrázek 3: Tlakové lahve pro uskladnění vodíku vyráběného elektrolyzérem (vpravo)

Energie vyráběná FV panely je jednak ukládána do baterií a dále spotřebovávána elektrolyzérem k výrobě vodíku. Baterie jsou olověné, bezúdržbové, typu 12 FLB 300, zapojené čtyři v sérii o jmenovité kapacitě 75 Ah. Jsou dobíjeny pouze energií z FV panelů, přičemž je vyloučena možnost jejich dobíjení z modulu palivových článků. To zajišťuje řídící systém. [5] Baterie o celkové energetické kapacitě 3600 Wh určují provozní napětí stejnosměrné sběrnice (48 V, maximální napětí při nabíjení baterií je 57,6 V a minimální napětí při vybíjení baterií je 44 V). Baterie ve vodíkovém akumulačním systému mají za úkol akumulovat energii vyrobenou FV panely, která není přímo spotřebována zátěží (připojeným AC spotřebičem nebo elektrolyzérem). Při přechodném omezení výroby elektřiny z FV panelů vlivem meteorologických podmínek, baterie dokážou pokrýt celou spotřebu elektrické energie elektrolyzéru. Nabíjení baterií je zabezpečováno nabíječem (DC/DC konvertorem). V akumulačním systému pracují tři měniče: Sunny Island Charger 40, Sunny Island 4282 a SD-1000L-48. Další AC/DC měnič je integrován do elektrolyzéru. DC měniče regulují příjem energie do DC sběrnice, ze které je výkon přiváděn na

svorky střídače (viz Obrázek 2). Jeden DC/DC měnič transformuje elektrickou energii FV panelů na vhodnou úroveň a zároveň pracuje jako regulátor nabíjení (nabíječ) baterií. Druhý DC/DC měnič stabilizuje výstupní napětí z modulu palivových článků. Na vstup střídače jsou připojeny baterie a nebo modul palivových článků (dle provozního módu akumulačního systému). Vodík o tlaku 13,8 bar vyrábí elektrolyzér, a to vždy v době přebytku elektrické energie vyráběné FV panely. Elektrolyzér Hogen GC600 je typu PEM (Proton Exchange Membrane) a je napájen ze střídače. Vyráběný vodík (0,6 Nl/min, čistoty 99,9999 %) je skladován ve třech tlakových lahvích o celkovém objemu 2 Nm3 plynného vodíku (viz Obrázek 3). Elektrolyzér potřebuje demineralizovanou vodu, která je vyráběna v osmotické filtrační jednotce Demiwa. [6] Vyrobený a uskladněný vodík je podle potřeby (na základě činnosti řídícího systému) použit jako palivo pro nízkoteplotní modul palivových článků typu NEXA (viz Obrázek 4). Pro výrobu elektrické energie potřebuje tento modul i kyslík, který si odebírá ze vzduchu. Jmenovitý výkon je 1200 W a jmenovité napětí je 26 V. Během provozu modulu NEXA jsou od DC sběrnice odpojeny baterie. Zátěž, připojená na výstup střídače, je tak napájena pouze z modulu NEXA. Kontinuální dodávka elektrické energie do zátěže je podle okolností zajišťována buď z FV panelů, baterií nebo modulu palivových článků NEXA. 3.1 Měřicí a řídicí systém

Obrázek 2: DC/DC měnič (vlevo), střídač a 4 baterie

Měřicí systém provádí měření elektrických a neelektrických veličin jednotlivých komponent akumulačního systému, jejich vyhodnocování s vizualizací na PC a jejich archivaci. Měřící systém se skládá z mnoha meřicích čidel (napěťová a proudová LEM čidla), dvou měřicích karet NI USB-6218 a dvou PC, na kterých jsou vytvořeny virtuální měřící SW aplikace (v prostředí LabView). [7] Jedna z těchto aplikací umožňuje vyhodnocovat i přechodné děje v akumulačním systému, a to pomocí nastavených úrovňových změn v čase (triggerů). Řídící systém, realizovaný pomocí PLC programovatelného automatu Simatic (Siemens), řídí provoz celého vodíkového akumulačního systému. Systém je možné ovládat pomocí dotyko-

39 – 2

2011/39 – 11. 7. 2011

VOL.13, NO.4, AUGUST 2011

žité napájení zátěže s příkonem 200 W. V době kolem poledne (11:30 až 14:00 každý den) byl nadto v provozu elektrolyzér vyrábějící vodík. Průběh výkonu odebíraného elektrolyzérem je zobrazen na Obrázku 8.

Obrázek 4: Měřicí PC a modul palivových článků NEXA vého „touch“ LCD displeje. Řízení akumulačního systému je prováděno na základě vyhodnocování zvolených úrovní napětí. Ty jsou nastaveny podle provozních charakteristik jednotlivých komponent akumulačního systému. [5] Funkční schéma akumulačního systému s vyznačením měřicích bodů je na Obrázku 1.

Obrázek 9 a 10 zobrazují časové průběhy napětí a proudu FV panelů. Z časového průběhu napětí na bateriích (Obrázek 11) vyplývá, že od počátku měření (17:30, 24.3.) byla zátěž napájena výhradně z baterií, což se projevilo postupným poklesem jejich napětí až na hodnotu 47 V. Poté (v 1:30, 25.3.) došlo k jejich odpojení od střídače, neboť napájení zátěže plně převzal modul palivových článků NEXA, spotřebovávající předtím uskladněný vodík. Modul NEXA byl v provozu až do ranních hodin (8:00, 25.3., viz Obrázek 12), kdy byl řídícím systémem vyhodnocen výkon FV panelů jako dostatečný pro napájení zátěže. Zároveň započalo i znovunabíjení baterií, které byly pro napájení zátěže použity až v závěru dne (16:30, 25.3. až 0:00, 26.3.). V době kolem poledne byl v provozu elektrolyzér (viz Obrázek 13 a 14). Vodík jím vyrobený byl spotřebován modulem NEXA, uvedeným řídícím systémem do chodu vždy v ranních hodinách každého dne.

3.2 Princip funkce akumulačního systému Akumulační systém pracuje následovně: Od počátku dne postupně roste výkon FV panelů a probíhá dobíjení baterií. AC zátěž je napájena z modulu palivových článků NEXA, který spotřebovává předtím vyrobený vodík. Jakmile výkon FV panelů dosáhne dostatečné úrovně (vyhodnocení provádí řídící systém), dojde k vypnutí modulu NEXA a napájení AC zátěže plně přebírají FV panely. Případné výkyvy jimi dodávané energie kryjí baterie. V okamžiku jejich plného nabití provede řídící systém zapnutí elektrolyzéru a začne se vyrábět vodík. FV panely v tomto případě dodávají energii do AC zátěže i elektrolyzéru. Ten je v provozu do doby, než poklesne intenzita slunečního záření (výkon FV panelů) pod stanovenou mez. Přes noc je AC zátěž napájena nejprve z baterií a v okamžiku, kdy napětí baterií poklesne na stanovenou hodnotu, je do systému připojen modul palivových článků NEXA. Ten z uskladněného vodíku vyrábí elektrickou energii a dodává ji přes měniče do AC zátěže.

Obrázek 5: Časový průběh výkonu FV panelů

Obrázek 6: Časový průběh výkonu na výstupu DC/DC měniče

3.3 Měření na akumulačním systému Měření bylo uskutečněno během necelých čtyř dnů v době příhodných meteorologických podmínek (vyšší intenzita slunečního záření). Z naměřených dat byly zkonstruovány časové průběhy vybraných veličin akumulačního systému, uvedené na následujících obrázcích. Na Obrázku 5 je vidět, že ve dnech 26.3. a 27.3. došlo od 13:00 k rychlejšímu poklesu výkonu FV panelů oproti 25.3.. To bylo způsobeno rychlejším poklesem intenzity slunečního záření v odpoledních hodinách vlivem výskytu oblačnosti. Průběh výkonu na výstupu DC/DC měniče (nabíječe), zobrazený na Obrázku 6, kopíruje průběh výkonu FV panelů. Z průběhu výkonu na vstupu střídače (viz Obrázek 7) je vidět, že během celé doby měření bylo zajištěno nepřetr-

39 – 3

Obrázek 7: Časový průběh výkonu na vstupu střídače

Obrázek 8: Časový průběh příkonu elektrolyzéru

2011/39 – 11. 7. 2011

VOL.13, NO.4, AUGUST 2011

3.4 Vyhodnocení účinností Účinnosti jednotlivých komponent našeho vodíkového akumulačního systému byly vyhodnoceny na základě naměřených dat. Byly zjištěny následující hodnoty: •

Účinnost DC/DC měniče - nabíječe baterií (Sunny Island Charger 40), který je připojen na výstup FV panelů: 97,8 %.

•

Účinnost 4 v sérii zapojených baterií 12 FLB 300: 89,7 %

•

Obrázek 12: Časový průběh napětí na vstupu střídače

Účinnost střídače (Sunny Island 4282), který transformuje energii DC sběrnice na energii jednofázového střídavého napětí: 87,1 %.

•

Účinnost DC/DC měniče SD-1000L-48, který stabilizuje výstupní napětí z modulu palivových článků: 89,9 %.

•

Účinnost modulu palivových článků NEXA, který vyrábí z vodíku elektrickou energii: 41,3 %.

•

Účinnost elektrolyzéru, který vyrábí vodík z demineralizované vody za pomoci elektřiny z FV panelů: 24,4 %.

Obrázek 13: Časový průběh proudu na vstupu střídače

Na nízké účinnosti elektrolyzéru se podepisují především ztráty energie, vznikající v době provozu elektrolyzéru bez dodávky vodíku. Elektrolyzér musí totiž po svém zapnutí projít startovací sekvencí, kdy je prováděno jeho tlakování a zahřívání na provozní teplotu (cca 10 min). [8]

Obrázek 14: Časový průběh proudu elektrolyzéru

4 Závěr Obrázek 9: Časový průběh napětí FV panelů

Obrázek 10: Časový průběh proudu FV panelů

Obrázek 11: Časový průběh napětí na bateriích

Námi realizovaný vodíkový akumulační systém zajišťuje nepřetržité napájení zvolené zátěže - AC spotřebiče. Jedná se o ostrovní systém, který dokáže vyrovnávat okamžitý přebytek či nedostatek elektrické energie vyráběné obnovitelným zdrojem - fotovoltaickými panely. Na základě provedených a v tomto článku popsaných měření byly vyhodnoceny účinnosti jednotlivých komponent tohoto systému. Celková účinnost námi realizovaného laboratorního vodíkového systému pro akumulaci elektrické energie z fotovoltaiky, dosahuje hodnoty 7 %. Účinnost FV panelů do celkové účinnosti akumulačního systému nezapočítáváme, neboť tyto panely jsou pouze zdrojem obnovitelné energie, nemajícím na účinnost akumulace vliv. Dosažitelná celková účinnost systému by měla být cca 20 %, uvažujeme-li účinnost již dnes komerčně dostupných elektrolyzérů cca 60 % (např. výrobní řada HBox od výrobce ITM Power). [9] I přes námi zjištěnou nízkou celkovou účinnost systému bude akumulace obnovitelné energie do vodíku hrát v blízké budoucnosti stále významnější roli. Tímto typem akumulace lze totiž řešit provozní problémy jak u systémů na bázi OZE připojených do sítě (on-grid), tak i ostrovních systémů (offgrid). Vodíkovým systémem lze navíc řešit akumulaci obnovitelné energie ve velkém výkonovém rozsahu. I když je v tomto případě vodík jen přenašečem energie, nikoliv zdrojem, jeho

39 – 4

2011/39 – 11. 7. 2011

VOL.13, NO.4, AUGUST 2011

použití je velmi výhodné z hlediska poměru chemické energie a hmotnosti. Nyní je naším cílem optimalizovat chod popsaného akumulačního vodíkového systému, aby pracoval spolehlivě, bezpečně a s co nejvyšší účinností.

Poděkování Tato práce byla podpořena MŠMT České republiky, v rámci projektu MSM6198910007 a CZ.1.05/2.1.00/03.0069.

Literatura [1] Minařík, D., Sokanský, K., Laboratory of fuel cells in VSB-TUO in period 2006/2007. Proceedings of WOFEX, 2007, Ostrava, Cyech Republic, pp. 104-109. [2] Šebesta, R., Hradílek, Z., Moldřík, P., Research on Fuel Cells in Order to Long Term Use in Storage Systems of Electricity. Proceedings of EPE, 2009, Kouty nad Desnou, Czech Republic, pp. 88-91. [3]

Chválek, R., Hradílek, Z., Moldřík, P., Photovoltaic Sources for Hydrogen Production in the VŠB - Technical University of Ostrava. Proceedings of EPE, 2010, Brno, Czech Republic, pp. 407-411.

[4] Data sheet of the photovoltaic module Schott Poly 165 [5] Minařík, D., Experimentální projekt energetického systému s akumulací elektrické energie na bázi vodíkových technologií. Proceedings of EPE, 2011, Kouty nad Desnou, Czech Republic, in press. [6] Hradílek, Z., Moldřík, P., Chválek, R., Storing Solar Energy Using Hydrogen Technology. Proceedings of EEEIC, 2010, Praha, Czech Republic, pp. 110-113. [7] Chválek, R., Hradílek, Z., Moldřík, P., Data System for Laboratory Research on Accumulation of Electric Energy from Photovoltaic Panels to Hydrogen. Proceedings of ELNET, 2010, Ostrava, Czech Republic, pp. 35-40. [8] Barbir, F., PEM electrolysis for production of hydrogen from renewable energy sources. Solar Energy, Elsevier, vol. 78, Amsterdam, 2005, pp. 661–669. [9] Products of ITM Power

39 – 5