Artykuły

Streszczenie:
Artykuł omawia praktyczne zastosowanie ogniw paliwowych w systemach odnawialnych źródeł energii na przykładzie HPS Picea. System ten integruje technologie magazynowania i konwersji energii, wykorzystując wodór jako kluczowy nośnik energii. Latem, nadmiar energii słonecznej jest używany do produkcji wodoru przez elektrolizery, który jest magazynowany na dłuższy okres. Zimą, wodór przekształcany jest w energię elektryczną i ciepło za pomocą ogniw paliwowych, zapewniając stabilne zasilanie i ogrzewanie. HPS Picea ilustruje rosnące znaczenie wodoru i ogniw paliwowych w transformacji energetycznej, realizując wizję Julesa Verne'a o wodzie jako przyszłym paliwie.

Wstęp
W obliczu rosnącego zapotrzebowania na zrównoważone źródła energii, ogniwa paliwowe zyskują na znaczeniu jako kluczowy element nowoczesnych systemów odnawialnych źródeł energii. Dzięki swojej wysokiej efektywności oraz zdolności przekształcania energii w sposób przyjazny dla środowiska, ogniwa paliwowe oferują obiecujące możliwości integracji z systemami OZE. Artykuł ten przybliża praktyczne zastosowanie ogniw paliwowych w systemie HPS Picea, ukazując ich potencjał w kształtowaniu przyszłości energetyki odnawialnej.
Wodór jako nośnik energii
Ponieważ wodór charakteryzuje się wysoką gęstością energii (w stosunku do masy) wśród paliw, wynoszącą 33,33 kilowatogodzin na kilogram, stanowi on wyjątkowo efektywny nośnik energii. Jeden kilogram wodoru dostarcza około trzykrotnie więcej energii niż jeden litr benzyny. Wodór wyróżnia się również szeregiem innych korzystnych właściwości: jest znacznie lżejszy od powietrza, nie jest radioaktywny ani nie stanowi zagrożenia dla wód. Co więcej, wykorzystanie wodoru nie wiąże się z bezpośrednią emisją dwutlenku węgla.
Wodór a magazynowanie energii
Wodór może być skutecznie wykorzystany jako magazyn energii. Ze względu na swoją wysoką gęstość energetyczną, wynoszącą około 33 kWh/kg oraz możliwość magazynowania w dużych ilościach, wodór stanowi idealne medium do sezonowej akumulacji energii na skalę TWh. W sytuacjach, gdzie tradycyjne akumulatory zawodzą w kontekście długoterminowego pokrycia
niedoborów energii elektrycznej, wodór oferuje skuteczne rozwiązanie. Magazynowany wodór może być następnie przekształcony z powrotem w energię elektryczną poprzez reakcję z tlenem w ogniwach paliwowych. [6]
Również na mniejszą skalę magazynowania, wodór znajduje zastosowanie. Na przykład w połączeniu z technologiami fotowoltaicznymi. W takim scenariuszu, odnawialne źródła energii, takie jak energia wiatrowa lub słoneczna, są wykorzystywane do dostarczania energii elektrycznej potrzebnej do procesu elektrolizy. Jeśli w procesie tym korzysta się wyłącznie z odnawialnych źródeł energii, produkowany jest tzw. „zielony wodór”, który jest neutralny pod względem emisji CO2. Zielony wodór może być następnie używany na przykład jako paliwo dla pojazdów wodorowych. Ponadto, wodór ten może służyć jako magazyn energii, który umożliwia generowanie elektryczności i ciepła – w dowolnym momencie dnia i pory roku – przy użyciu wodorowych ogniw paliwowych.
Rola ogniwa paliwowego w magazynowaniu energii
Proces wytwarzania energii elektrycznej z wodoru jest znany od ponad 150 lat. Jednakże, dopiero w ostatnich latach, po intensywnych badaniach, ogniwa paliwowe zaczęły zyskiwać na praktycznej użyteczności.
W kontekście magazynowania energii ogniwa paliwowe odgrywają kluczową rolę, choć same w sobie nie są urządzeniami do przechowywania energii. Ich głównym zadaniem jest efektywna konwersja energii chemicznej w energię elektryczną i ciepło. Ogniwa paliwowe, wykorzystując wodór jako paliwo, pozwalają na magazynowanie energii w formie chemicznej, co jest szczególnie korzystne w systemach opartych na odnawialnych źródłach energii. Wodór, produkowany z nadwyżek energii odnawialnej, takich jak energia słoneczna czy wiatrowa, może być magazynowany w formie gazu i później z powrotem przekształcany w energię elektryczną za pomocą ogniw paliwowych. Dzięki temu ogniwa te umożliwiają nie tylko stabilizację dostaw energii, ale także zapewniają jej dostępność w okresach, gdy produkcja z odnawialnych źródeł jest niska. W ten sposób, ogniwa paliwowe stanowią istotny element w zintegrowanych systemach energetycznych, wspierając efektywne zarządzanie i wykorzystanie zmagazynowanej energii.
Istnieje wiele rodzajów ogniw paliwowych, które, mimo że działają na podobnej zasadzie, różnią się szczegółami technologicznymi. Większość z tych ogniw wykorzystuje wodór jako źródło paliwa. Jednak jest on stosunkowo kosztowny, ponieważ często wymaga wcześniejszego pozyskania z innych substancji. W zależności od typu ogniwa paliwowego, wymagania dotyczące czystości dostarczanych gazów mogą być bardzo różne. Wyróżniamy następujące typy ogniw paliwowych[1]:
• Alkaliczne ogniwo paliwowe AFC
• Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów PEMFC/ PEM
• Ogniwo paliwowe zasilane bezpośrednio metanolem DMFC
• Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym PAFC
• Ogniwo z elektrolitem ze stopionych węglanów MCFC
• Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem SOFC
Wodorowy magazyn energii - HPS Picea
Picea to flagowy produkt firmy HPS, który integruje funkcje magazynowania energii, wspomagania ogrzewania oraz wentylacji w jednym rozwiązaniu. Picea, dzięki zaawansowanemu systemowi zarządzania energią, jest zaprojektowana w celu pełnego zaspokojenia zapotrzebowania energetycznego domu cały rok. W porównaniu z tradycyjnymi, dostępnymi na rynku rozwiązaniami akumulatorowymi, jednostka firmy HPS wyróżnia się stokrotnie większą pojemnością i dwukrotnie większą mocą.
Budowa jednostki HPS Picea

Rysunek 1: Budowa jednostki HPS Picea[3]
Centrala energetyczna
Centrum energetyczne, umieszczone w piwnicy lub pomieszczeniu gospodarczym, zajmuje powierzchnię 1,62 m² i jest wyposażone we wszystkie niezbędne komponenty do zapewnienia całorocznego zasilania energią słoneczną. W skład systemu wchodzą:
• Elektrolizer – urządzenie do produkcji wodoru w procesie elektrolizy
• Ogniwo paliwowe – konwertuje wodór z powrotem w energię elektryczną
• Bateria o pojemności 17 kWh (netto) – przeznaczona do krótkotrwałego magazynowania energii.
• Kontroler ładowania słonecznego – zarządza procesem ładowania energii słonecznej
• Hybrydowy falownik – zapewnia domową sieć elektryczną
• Magazyn wodoru – przechowuje wyprodukowany wodór
• Moduł wentylacyjny – zapewnia odpowiednią wentylację systemu
• System zarządzania energią – koordynuje efektywne działanie wszystkich komponentów, integrując je w jedno spójne rozwiązanie
Magazyn wodoru
Magazyn wodoru, przeznaczony do długoterminowego przechowywania, znajduje się przed budynkiem. W zależności od zapotrzebowania, system może być wyposażony w od jednego do pięciu zbiorników wodoru. Rozmiar poszczególnych zbiorników jest dostosowywany indywidualnie.
Jednostka HPS Picea działa w ścisłej współpracy z panelami fotowoltaicznymi, tworząc kompleksowy system zarządzania energią. Instalacja PV jest celowo przewymiarowana, aby latem w pełni zaspokajać potrzeby energetyczne gospodarstwa domowego i jednocześnie umożliwiać magazynowanie nadmiaru energii. System Picea wykorzystuje dwie kluczowe technologie, które zapewniają dostępność energii elektrycznej w momencie jej potrzeby:
− Krótkookresowe magazynowanie energii
W ciągu dnia panele fotowoltaiczne generują energię elektryczną z promieniowania słonecznego. Ta energia jest wykorzystywana do zasilania bieżących potrzeb gospodarstwa domowego, takich jak oświetlenie, urządzenia elektryczne, ogrzewanie i chłodzenie. Gdy produkcja energii z paneli PV przewyższa bieżące zapotrzebowanie, nadmiar energii jest przekierowywany do magazynowania w baterii, która może być wykorzystywana w nocy lub w czasie niskiej produkcji energii przez PV.
− Długoterminowe magazynowanie energii
W okresie letnim, kiedy nasłonecznienie jest największe, panele fotowoltaiczne zamontowane na budynku generują dużą ilość energii elektrycznej. Nadmiar tej energii, która nie jest natychmiast zużywana przez gospodarstwo domowe, jest wykorzystywany do przeprowadzenia procesu elektrolizy wody. Elektrolizer rozdziela wodę (H₂O) na wodór (H₂) i tlen (O₂). Tlen jest bezpiecznie uwalniany do atmosfery, natomiast wodór jest przechowywany w specjalnych zbiornikach. Wodór jako nośnik energii będzie następnie wykorzystany w sezonie zimowym przy pomocy ogniwa paliwowego.
Działanie systemu latem
Latem, kiedy nasłonecznienie jest największe, system HPS Picea wykorzystuje nadwyżkę energii słonecznej do maksymalnej produkcji i magazynowania energii. Ta energia jest wykorzystywana przede wszystkim do bieżących potrzeb gospodarstwa domowego, takich jak urządzenia elektryczne systemy chłodzenia, czy podgrzewanie wody użytkowej.
Gdy produkcja energii przekracza bieżące zapotrzebowanie, nadmiar energii jest kierowany do dwóch głównych magazynów: baterii buforowej oraz systemu magazynowania wodoru. Bateria buforowa gromadzi energię na krótki okres, zapewniając zasilanie na noc i w pochmurne dni. Nadmiar energii jest również używany do zasilania elektrolizera, który rozdziela wodę na wodór i tlen. Wodór jest przechowywany w wysokociśnieniowych zbiornikach, co umożliwia długoterminowe magazynowanie energii.

Rysunek 2: Schemat działania systemu latem[7]

Działanie systemu zimą
Zimą, gdy nasłonecznienie jest znacznie mniejsze i dni są krótsze, a zapotrzebowanie na energię wzrasta, system HPS Picea wykorzystuje zgromadzone zasoby energii, aby zapewnić ciągłość zasilania. Panele fotowoltaiczne wytwarzają mniej energii z powodu słabszego nasłonecznienia, jednak energia ta nadal jest używana bezpośrednio do zaspokojenia bieżących potrzeb energetycznych gospodarstwa domowego.
W sezonie zimowym bateria nie jest w stanie zapewnić wystarczającej ilości energii, więc system HPS Picea korzysta z magazynowanego wodoru. Wodór jest przekształcany w energię elektryczną i ciepło za pomocą ogniw paliwowych. Proces ten polega na reakcji wodoru z tlenem z powietrza, co skutkuje produkcją energii elektrycznej oraz ciepła, które może być wykorzystane do ogrzewania budynku i wody użytkowej. Powstałe ciepło odpadowe pozwala znacząco obniżyć koszty ogrzewania.

Rysunek 3: Schemat działania systemu zimą[7]
HPS Picea zwiększa niezależność i zapewnia bezpieczeństwo energetyczne, wspierając jednocześnie zrównoważony rozwój. Jest to innowacyjne rozwiązanie, które może zrewolucjonizować sposób zarządzania energią w gospodarstwach domowych. Jednak wdrożenie go wiąże się z dużym nakładem finansowym, zarówno na etapie zakupu, jak i instalacji, co na ten moment może stanowić barierę dla szerokiego zastosowania. Najmniejsza jednostka najnowszej generacji kosztuje 99.900 – 160.000 €. System wymaga również regularnego, corocznego serwisu, którego koszt wynosi 773,50 €, aby zapewnić jego bezawaryjne działanie. [3]

Podsumowanie
System HPS Picea reprezentuje zaawansowane podejście do zarządzania energią, łącząc technologie odnawialne z nowoczesnymi metodami magazynowania i konwersji energii. zaspokaja całoroczne potrzeby energetyczne gospodarstw domowych. Latem system optymalizuje wykorzystanie energii słonecznej, przechowując nadmiar w bateriach i magazynach wodoru, natomiast zimą wykorzystuje zgromadzony wodór do zapewnienia stabilnego zasilania i ciepła.
Cytat Julesa Verne'a z jego dzieła L’Île Mystérieuse uchwyca wizję przyszłości, w której wodór odgrywa kluczową rolę jako nośnik energii: „Tak, moi przyjaciele, wierzę, że kiedyś woda będzie wykorzystywana jako paliwo, że wodór i tlen, które ją tworzą, używane oddzielnie lub jednocześnie, będą źródłem niewyczerpanego ciepła i światła i z taką intensywnością, jaką węgiel nigdy nie mógłby dosięgnąć.”[5] W kontekście współczesnych innowacji, takich jak HPS Picea, ta futurystyczna wizja Verne'a staje się coraz bardziej namacalna. W tym systemie wodór, produkowany za pomocą elektrolizerów, jest kluczowym elementem magazynowania i zarządzania energią. Dzięki ogniwom paliwowym możemy wykorzystać do przekształcenia energii chemicznej z powrotem na energię elektryczną i ciepło.
Ogniwa paliwowe, pełniąc rolę efektywnego elementu w łańcuchu energetycznym, mogą odegrać kluczową rolę w transformacji energetycznej, wspierając przejście do bardziej zrównoważonego i odnawialnego systemu energetycznego.

Bibliografia:
[1] Helmholtz-Zentrum Hereon: Wasserstoff und Brennstoffzelle. Quantensprung Das Schülerlabor, s. 15 – 20, styczeń 2010, online:
https://www.hereon.de/imperia/md/content/gkss/zentrale_einrichtungen/quantensprung/brennstoffzelle_brosch__re.pdf (07.2024)
[2] Żyjewska U.: Rodzaje ogniw paliwowych i ich potencjalne kierunki wykorzystania. Nafta-Gaz 2020, nr 5, s. 332–339, DOI: 10.18668/NG.2021.05.06
[3] Home Power Solutions: Das erste Solar-wasserstoff-system für ihr Zuhause. online: https://www.homepowersolutions.de/produkt/ (07.2024)
[4] Ecoprius: Magazyny wodoru dla samowystarczalnych energetycznie budynków. online: https://ecoprius.pl/pl/magazyny-wodoru-samowystarczalne-budynki.html
[5] Verne, J. (1874). L’Île Mystérieuse. Cytowane w Ecoprius: Bezpieczne magazyny wodoru. online: https://ecoprius.pl/pl/bezpieczne-magazyny-wodoru.html
[6] Instytut Energetyki: Podstawowe informacje o wodorze, online: https://ien.com.pl/images/struktura/pion-cieplny/CPE/FAQ_final_PL.pdf
[7] Hörmann Solartechnik, online: https://hoermannsolar.de/wasserstoff-haus