Artykuły

1. Zakres i cel projektu

Niniejszy dokument przedstawia wyniki oraz końcowy produkt projektu badawczego, którego celem było zbadanie możliwości wykorzystania ogniw paliwowych w hybrydowych systemach odnawialnych źródeł energii oraz ich zastosowania w magazynowaniu energii.
Badania przeprowadzono z wykorzystaniem hybrydowego laboratorium energetycznego HYBR-80+ firmy Heliocentris.
Celem projektu było opracowanie oryginalnych analiz wyników, zakończenie badań szczegółowym raportem oraz przedstawienie rekomendacji dotyczących efektywnego doboru i eksploatacji ogniw paliwowych w kontekście hybrydowych systemów OZE i magazynowania energii.

2. Wstęp

W dobie dynamicznych zmian klimatycznych i potrzeby ograniczania emisji gazów cieplarnianych odnawialne źródła energii, stały się jednym z kluczowych filarów zrównoważonej gospodarki energetycznej. OZE, takie jak energia słoneczna, wiatrowa czy wodna, oferują liczne korzyści środowiskowe, ale ich efektywna integracja w globalnym systemie energetycznym stwarza wyzwania techniczne, związane głównie z ich zmiennością i niestabilnością. Magazynowanie energii oraz rozwój hybrydowych systemów OZE stały się kluczowymi elementami umożliwiającymi poprawę stabilności dostaw energii.
Ogniwa paliwowe, które przekształcają energię chemiczną paliwa w energię elektryczną poprzez procesy elektrochemiczne, stanowią obiecujące rozwiązanie w połączeniu z systemami OZE. Ich zdolność do generowania energii na żądanie oraz magazynowania energii w sposób zrównoważony czyni je atrakcyjnym elementem nowoczesnych, hybrydowych systemów energetycznych.

3.Rynek ogniw paliwowych

Wielkość globalnego rynku ogniw paliwowych wyniosła 9,34 mld USD w 2024 r. i przewiduje się, że osiągnie około 95,65 mld USD do 2034 r., rosnąc przy godnym uwagi CAGR (skumulowany roczny wskaźnik wzrostu) na poziomie 26,2% od 2024 do 2034 roku (Wykres 1).
Jednym z kluczowych czynników napędzających rozwój rynku jest wzrastająca liczba partnerstw publiczno-prywatnych oraz zmniejszony wpływ na środowisko, jakie oferują ogniwa paliwowe. Rządy na całym świecie aktywnie wspierają rozwój tego rynku poprzez finansowanie działań badawczo-rozwojowych oraz wdrażanie programów finansowania. Kluczowe jest również stworzenie solidnych ram regulacyjnych – rządowe instytucje muszą zapewnić przyjazne środowisko inwestycyjne, aby wspierać rozwój technologii ogniw paliwowych.
Oczekuje się, że to zintegrowane wsparcie pozwoli na dalsze obniżenie kosztów ogniw paliwowych i uczyni je bardziej konkurencyjnymi na globalnym rynku energetycznym,
przyspieszając przejście na zrównoważone źródła energii i wspierając globalne dążenie do neutralności klimatycznej.

Wykres 1: Prognoza rynku ogniw paliwowych na lata 2023-2034

Wykres 2: Globalny rynek ogniw paliwowych z podziałem na rodzaje FC

4. Ogniwa paliwowe
Sposób działania ogniwa paliwowego można porównać do procesu odwrotnego do elektrolizy wody. Podczas gdy w elektrolizie cząsteczka wody jest dzielona na wodór i tlen poprzez dostarczenie energii elektrycznej, w ogniwie paliwowym H2 i O2 reagują tworząc wodę poprzez uwolnienie energii elektrycznej i cieplnej. Podstawową strukturę ogniwa paliwowego przedstawiono na Rysunku 1.

Rysunek 1: Schemat ogniwa paliwowego

Istnieje kilka rodzajów ogniw paliwowych: alkaliczne (AFC), z membraną do wymiany protonów (PEMFC), ze stałym tlenkiem (SOFC), z kwasem fosforowym (PAFC), , ze stopionym węglanem (MCFC) i zasilane bezpośrednio metanolem (DMFC). Niezależnie od typu, ogniwo paliwowe składa się z dwóch elektrod, anody i katody, które są oddzielone od siebie nieprzepuszczalnym dla gazów elektrolitem przewodzącym proton. Z drugiej strony, elektrody mają porowatą strukturę i dlatego przepuszczają gaz.

5. Hybrydowe systemy energetyczne oparte na ogniwach paliwowych i ich potencjał w magazynowaniu energii
Ogniwa paliwowe znajdują zastosowanie w hybrydowych systemach energetycznych głównie ze względu na ich ciągłe dostarczanie energii. Dzięki temu eliminują przerwy w produkcji energii z paneli fotowoltaicznych i turbin wiatrowych. Ponadto, systemy hybrydowe z FC pozwalają na odzyskiwanie ciepła i niewykorzystanej energii, co zwiększa ich efektywność. Ogniwa paliwowe mogą być również wykorzystywane do magazynowania energii elektrycznej, co eliminuje problemy związane z przechowywaniem i transportem paliwa. Dodatkowo, w hybrydowych systemach z FC możliwe jest zastosowanie różnych metod odzyskiwania energii, takich jak termo-fotowoltaika, turbiny gazowe i wymienniki ciepła.
W niniejszy rozdziale opisane zostaną możliwości wykorzystania ogniw paliwowych w hybrydowych systemach OZE i magazynach energii.
Współczesne systemy energetyczne stoją przed szeregiem wyzwań, z których jednym z najpoważniejszych jest zmienność produkcji energii z OZE. Energia słoneczna i wiatrowa, mimo swoich licznych zalet, charakteryzują się nieciągłością pracy, co wymaga odpowiednich rozwiązań w celu zapewnienia stabilnych dostaw energii. Ogniwa paliwowe, dzięki swojej zdolności do ciągłej produkcji energii przy dostarczaniu paliwa, oferują obiecującą opcję dla integracji z systemami OZE, tworząc efektywne i zrównoważone hybrydowe systemy energetyczne.
Zastosowanie ogniw paliwowych w systemach magazynowania energii
Jednym z kluczowych elementów nowoczesnych systemów energetycznych jest zdolność do magazynowania energii. W systemach hybrydowych zintegrowanych z ogniwami paliwowymi, magazynowanie energii może odbywać się za pomocą baterii i kondensatorów, co znacząco zwiększa niezawodność systemu. Takie urządzenia mogą gromadzić nadmiar energii produkowanej przez ogniwa paliwowe lub odnawialne źródła energii, aby następnie dostarczać ją w momencie zapotrzebowania na szczytową moc. To rozwiązanie nie tylko zwiększa stabilność sieci, ale także poprawia wydajność całego systemu.
Dzięki połączeniu ogniw paliwowych z akumulatorami, energia elektryczna może być magazynowana i uwalniana w odpowiednich momentach, co jest szczególnie istotne w aplikacjach off-grid. Dodatkowo, zastosowanie kondensatorów zwiększa szybkość reakcji systemu na dynamiczne zmiany w zapotrzebowaniu na energię, co ma szczególne znaczenie w aplikacjach mobilnych, takich jak pojazdy elektryczne. Hybrydowe systemy, w których ogniwo paliwowe działa razem z magazynami energii, mogą zapewnić długą żywotność i niezawodność zarówno w systemach stacjonarnych, jak i mobilnych.
Hybrydowe systemy oparte na ogniwach paliwowych z OZE
Integracja ogniw paliwowych z odnawialnymi źródłami energii, takimi jak panele fotowoltaiczne (PV) oraz turbiny wiatrowe (WT), stanowi kluczowe rozwiązanie w niwelowaniu problemów związanych z niestabilnością pracy systemów OZE. Dzięki zastosowaniu ogniw paliwowych, które zapewniają stałą produkcję energii elektrycznej, możliwe jest efektywne uzupełnienie braków wynikających z przerw w dostawach energii, typowych dla systemów OZE. Poniżej przedstawiono korzyści z integracji ogniw paliwowych z panelami fotowoltaicznymi i turbinami wiatrowymi.
Integracja ogniw paliwowych z panelami fotowoltaicznymi (PV)
Panele fotowoltaiczne to jedno z najpopularniejszych źródeł energii odnawialnej, które konwertuje energię słoneczną na energię elektryczną. Jednakże ich wydajność jest zależna od ilości światła słonecznego, co prowadzi do zmienności produkcji energii w zależności od pory dnia, pogody oraz sezonu.
W hybrydowych systemach energetycznych ogniwa paliwowe mogą działać jako uzupełniające źródło energii, zwłaszcza w nocy lub w pochmurne dni, kiedy produkcja energii przez panele PV spada. Ponadto, nadmiar energii wyprodukowanej przez panele fotowoltaiczne w okresach silnego nasłonecznienia może być wykorzystywany do zasilania jednostki elektrolizy, która
produkuje wodór. Wodór ten może być następnie magazynowany i używany jako paliwo dla ogniw paliwowych, zapewniając ciągłość produkcji energii elektrycznej w okresach niedoboru energii słonecznej.
Możliwość produkcji wodoru z nadwyżek energii PV zmniejsza zależność od sieci energetycznej, czyniąc cały system bardziej autonomicznym i odpornym na przerwy w dostawie energii.

Rysunek 2: Hybrydowy system ogniwa paliwowego z fotowoltaiką

Integracja ogniw paliwowych z turbinami wiatrowymi (WT)
Turbiny wiatrowe to kolejne istotne odnawialne źródło energii, które generuje energię elektryczną poprzez wykorzystanie ruchu powietrza. Jednak podobnie jak w przypadku systemów PV, produkcja energii z turbin wiatrowych jest zmienna i zależna od warunków atmosferycznych, takich jak prędkość wiatru. W okresach słabego wiatru lub całkowitego jego braku produkcja energii spada, co stanowi wyzwanie dla zapewnienia stabilnych dostaw energii.
W hybrydowych systemach opartych na turbinach wiatrowych ogniwa paliwowe mogą pełnić funkcję stabilizatora energetycznego. Gdy produkcja energii z turbiny wiatrowej jest niewystarczająca, ogniwo paliwowe może automatycznie przejąć rolę głównego źródła zasilania. Podobnie jak w przypadku systemów PV, nadwyżki energii wytwarzanej przez turbiny wiatrowe w okresach silnych wiatrów mogą być wykorzystane do zasilania elektrolizera w celu produkcji wodoru. Wodór ten może być magazynowany i wykorzystywany przez ogniwo paliwowe w momentach, gdy prędkość wiatru spada i turbina nie jest w stanie dostarczyć wystarczającej ilości energii.
Zdolność ogniwa paliwowego do natychmiastowego włączenia się do pracy sprawia, że hybrydowe systemy energetyczne oparte na WT są bardziej stabilne i niezawodne, co jest szczególnie istotne w obszarach o zmiennej prędkości wiatru.

Rysunek 3: Hybrydowy system ogniwa paliwowego z turbiną wiatrową

Odzysk ciepła i paliwa w systemach hybrydowych z ogniwami paliwowymi
Jednym z aspektów, który wyróżnia ogniwa paliwowe, zwłaszcza wysokotemperaturowe, jest możliwość odzysku energii cieplnej i paliwa, które nie zostało zużyte w procesie elektrochemicznym. W systemach takich jak SOFC (stałotlenkowe ogniwa paliwowe) czy MCFC (ogniwa paliwowe z węglanem stopionym), ciepło odpadowe może być ponownie wykorzystane za pomocą turbin gazowych lub wymienników ciepła. Tego rodzaju integracje pozwalają na uzyskanie dodatkowej energii elektrycznej oraz zwiększenie ogólnej efektywności systemu.
Przykładowo, w systemach hybrydowych SOFC-turbina gazowa, ciepło generowane przez ogniwo paliwowe może zasilać turbinę gazową, która produkuje dodatkową energię elektryczną, minimalizując straty.

Rysunek 4: Hybrydowy układ z ogniwem SOFC: S – sprężarka; T – turbina gazowa; G – generator; DC/AC - falownik

Ogniwa termo-fotowoltaiczne (TPVC) produkują energię elektryczną zarówno z promieniowania słonecznego, jak i z ciepła zgromadzonego na ich powierzchni. Ich zastosowanie w systemach hybrydowych z FC także może zwiększyć efektywne wykorzystanie ogniw paliwowych.

Rysunek 5: Schemat działania ogniwa termo-fotowoltaicznego

Zalety hybrydowych systemów z ogniwami paliwowymi
Największą zaletą hybrydowych systemów energetycznych opartych na ogniwach paliwowych jest ich elastyczność i zdolność do dostosowania się do różnych warunków pracy. Ogniwa paliwowe mogą działać zarówno jako główne źródło energii, jak i wspomagać inne odnawialne źródła energii w momentach, gdy ich wydajność spada. Takie połączenie technologii umożliwia optymalne wykorzystanie dostępnych zasobów energetycznych i minimalizuje ryzyko przerw w dostawie energii.
Dodatkowo, dzięki integracji z magazynami energii, hybrydowe systemy oparte na ogniwach paliwowych mogą pracować w szerokim zakresie obciążeń, zapewniając zarówno krótko- jak i długoterminową niezawodność dostaw energii. Odzysk energii z ciepła odpadowego i niewykorzystanego paliwa to kolejny krok w kierunku maksymalizacji wydajności tych systemów, co czyni je jednym z najbardziej obiecujących rozwiązań dla przyszłych zrównoważonych systemów energetycznych.

6. Realizacja badań laboratoryjnych
6.1.Metodyka badań
Badania nad wykorzystaniem ogniw paliwowych zostały przeprowadzone w sposób systematyczny, zgodnie z poniższą metodyką.
6.2.Stanowisko badawcze
Badania wykonano na systemie hybrydowym HYBR-80+ firmy Heliocentris. W skład stanowiska wchodziły ogniwa paliwowe o mocy 1200 W, zasilane wodorem, pracujące w różnych trybach operacyjnych, akumulatory oraz system zarządzania energią, w tym kontrolery
przepływu energii i przetwornice napięcia DC/DC, zapewniające optymalizację procesu ładowania i rozładowania akumulatorów.
6.3.Parametry eksperymentalne
Parametrami eksperymentalnymi były: natężenie prądu (I), napięcie (U), moc wyjściowa (Pout) i przepływ wodoru (Hflow). Na podstawie tych monitorowanych parametrów wykreślono główne charakterystyki FC. Badania te zostały przeprowadzone w różnych warunkach obciążenia.
6.4.Procedura pomiarowa
Procedura obejmowała rejestrację parametrów eksperymentalnych przy kolejno zwiększanym obciążeniu. Każdy pomiar był prowadzony przez ściśle określony czas, w kontrolowanych warunkach przy stałej temperaturze i ciśnieniu.

7. Wyniki badań i ich analiza
Raport z badań stanowi Załącznik 1 niniejszego projektu. Na jego podstawie wykreślono następujące charakterystyki:
Charakterystyka prądowo napięciowa:

Wykres 3: Charakterystyka prądowo-napięciowa badanego ogniwa
Wykres 3 przedstawia charakterystykę prądowo-napięciową ogniwa paliwowego, pokazując spadek napięcia wyjściowego wraz ze wzrostem natężenia prądu. Początkowy, gwałtowny spadek napięcia przy niskich wartościach prądu jest spowodowany stratami aktywacyjnymi, które wynikają z energii potrzebnej do zainicjowania reakcji elektrochemicznych w ogniwie. W miarę wzrostu natężenia prądu spadek napięcia staje się bardziej łagodny, co wynika z obecności strat omowych. Te straty są związane z oporem materiałów, takich jak elektrody,
elektrolit i połączenia, i są proporcjonalne do natężenia prądu. Przy jeszcze wyższych wartościach prądu mogą pojawić się straty związane z transportem masy, które wynikają z ograniczeń w dostarczaniu reagentów do elektrod, co powoduje dalszy spadek napięcia.
Charakterystyka mocy

Wykres 4: Charakterystyka mocy badanego ogniwa
Wykres 4 przedstawia charakterystykę mocy wyjściowej stosu ogniwa paliwowego w zależności od natężenia prądu. Widzimy, że wraz ze wzrostem natężenia prądu moc wyjściowa ogniwa rośnie niemal liniowo. Jest to efekt wzrostu iloczynu prądu i napięcia, mimo że napięcie wyjściowe stopniowo maleje (jak pokazano na poprzednim wykresie prądowo-napięciowym).
Początkowy wzrost mocy jest spowodowany zwiększeniem przepływu prądu przez stos, co kompensuje spadek napięcia. W miarę jak natężenie prądu staje się coraz wyższe, efekt strat napięcia zaczyna jednak wpływać na wydajność ogniwa, co w dłuższej perspektywie może prowadzić do spowolnienia przyrostu mocy. Dla większości zakresu prądu moc rośnie jednak liniowo, co wskazuje na stosunkowo stabilne działanie ogniwa w tym zakresie pracy.
Przepływ wodoru

Wykres 5: Charakterystyka przepływu wodoru w badanym ogniwie
Wykres 5 przedstawia zależność przepływu wodoru od natężenia prądu w ogniwie paliwowym. Zauważamy, że przepływ wodoru rośnie liniowo wraz ze wzrostem natężenia prądu. Wynika to z faktu, że zużycie wodoru w ogniwie paliwowym jest proporcjonalne do ilości produkowanego prądu. Zgodnie z prawem Faradaya, ilość reagenta (w tym przypadku wodoru) zużywanego w reakcji elektrochemicznej jest bezpośrednio związana z przepływającym prądem.
Taka liniowa zależność sugeruje, że układ zasilania wodorem dobrze odpowiada na zmiany zapotrzebowania prądowego ogniwa, dostarczając odpowiednią ilość wodoru potrzebną do generowania prądu bez znaczących opóźnień czy ograniczeń w przepływie.

8. Rekomendacje dotyczące doboru i eksploatacji ogniw paliwowych w hybrydowych systemach OZE i w magazynowaniu energii
Dobór odpowiedniego ogniwa paliwowego nie opiera się jedynie na analizie mocy czy kosztów inwestycyjnych. Należy wziąć pod uwagę także czynniki takie jak dostępność i bezpieczeństwo paliwa, aspekty związane z odzyskiem ciepła, a także koszty eksploatacji i konserwacji. Każda z dostępnych technologii – od PEMFC, przez DMFC, SOFC, MCFC, AFC, po PAFC – ma swoje specyficzne zalety i wady, które należy rozważyć w kontekście konkretnych zastosowań.
Celem niniejszego rozdziału jest przedstawienie wytycznych dotyczących doboru, eksploatacji oraz optymalizacji systemów ogniw paliwowych w oparciu o ich specyficzne wymagania energetyczne, dostępność paliw oraz aspekty ekonomiczne i operacyjne.
8.1. Analiza potrzeb energetycznych
Każda technologia ogniw paliwowych ma swoje specyficzne zastosowania wynikające z zakresu mocy i wymagań operacyjnych. Kluczowe aspekty do rozważenia to zakres mocy, temperatura pracy oraz możliwość pracy w systemach hybrydowych z odnawialnymi źródłami energii.
I. Małe i średnie systemy (1-10 kW):
Dla małych instalacji, takich jak zasilanie awaryjne, serwerownie czy systemy telekomunikacyjne, zalecane są ogniwa PEMFC i DMFC. Ogniwa te charakteryzują się niskimi temperaturami pracy (50-100°C) oraz szybką reakcją na zmiany zapotrzebowania na energię, co czyni je idealnymi do takich zastosowań. AFC (alkaliczne ogniwa paliwowe) również mogą być używane w małych systemach, zwłaszcza w zastosowaniach o wysokiej wydajności, jak w systemach kosmicznych, gdzie wymagana jest niezawodność i długi czas pracy.
II. Duże systemy (>100 kW):
W dużych systemach przemysłowych, takich jak elektrociepłownie czy zakłady produkcyjne, najlepiej sprawdzą się technologie wysokotemperaturowe, takie jak SOFC (stałotlenkowe ogniwa paliwowe) oraz MCFC (ogniwa ze stopionym węglanem). Mogą one pracować przy wyższych temperaturach (600-1000°C), co umożliwia efektywne wykorzystanie energii i ciepła w procesach przemysłowych.
PAFC (ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym) również znajdują zastosowanie w dużych instalacjach, szczególnie o stałym zapotrzebowaniu na energię, np. w szpitalach i infrastrukturze krytycznej, gdzie stabilność pracy jest kluczowa.
III. Systemy hybrydowe z OZE:
Wszystkie wymienione technologie mogą być używane w systemach hybrydowych z OZE, w szczególności PEMFC i SOFC, które mogą wspierać magazynowanie energii oraz stabilizować dostawy energii z odnawialnych źródeł, takich jak fotowoltaika i elektrownie wiatrowe.
8.2. Wybór odpowiedniego paliwa
Paliwo wykorzystywane w ogniwach paliwowych zależy od dostępnej infrastruktury oraz wymagań operacyjnych instalacji. Wybór odpowiedniego paliwa jest znaczący dla optymalizacji kosztów i wydajności systemu.
I. Wodór:
Wodór jest paliwem wykorzystywanym w wielu typach ogniw, w tym PEMFC, AFC, SOFC i MCFC. Ze względu na wysoką wydajność i ekologiczny profil (przy zasilaniu wodorem emitują jedynie wodę), wodór jest dobrym wyborem dla zastosowań przemysłowych. Wymaga specjalnej infrastruktury do magazynowania i transportu, co może podnieść koszty inwestycyjne, ale jest idealnym rozwiązaniem dla firm planujących długoterminowe inwestycje w czyste technologie.
II. Metanol
Metanol jest stosowany głównie w ogniwach DMFC, które bezpośrednio przetwarzają to paliwo. Dzięki swojej postaci ciekłej, jest on łatwy do przechowywania i transportu, czyniąc go atrakcyjnym wyborem dla instalacji w odległych lokalizacjach.
Idealny jest on także dla urządzeń zlokalizowanych w miejscach, gdzie wodór jest trudno dostępny, a istnieje potrzeba prostego i elastycznego rozwiązania paliwowego.
III. Metan
Jest on głównym składnikiem gazu ziemnego, jest używany głównie w ogniwach SOFC, które mogą przekształcać metan w wodór na miejscu poprzez reforming parowy. Metan jest powszechnie dostępny i stosunkowo tani, dlatego ogniwa SOFC z metanem sprawdzają się w dużych systemach generacji energii, jednak emitują pewne ilości CO₂.
IV. Amoniak
Amoniak, który zawiera duże ilości wodoru, może być stosowany w ogniwach SOFC, gdyż jest łatwy do magazynowania w formie ciekłej pod umiarkowanym ciśnieniem i można go przekształcić w wodór przy użyciu odpowiednich katalizatorów. Amoniak jako paliwo jest testowany w dużych, stacjonarnych systemach generacji energii, ponieważ nie emituje CO₂, jednak jego produkcja może być energochłonna.
8.3. Aspekty bezpieczeństwa
PEMFC pracują w niskich temperaturach (<100°C), co minimalizuje ryzyko przegrzania. Ważne jest stosowanie czystego wodoru, ponieważ zanieczyszczenia, takie jak tlenki węgla, mogą uszkodzić membranę i zmniejszyć wydajność. Systemy te wymagają detekcji wycieków wodoru i odpowiedniej wentylacji dla zapobiegania jego nagromadzeniu.
AFC działają w temperaturach 60-100°C, jednakże wymagają ostrożności ze względu na zastosowanie żrącego wodorotlenku potasu jako elektrolitu, co stwarza ryzyko korozji i wycieków. Czystość wodoru jest kluczowa, ponieważ AFC są wrażliwe na zanieczyszczenia, co może wpłynąć na ich wydajność. Regularne kontrole są konieczne, aby uniknąć problemów z elektrolitem i utrzymaniem ogniwa.
SOFC pracują w bardzo wysokich temperaturach (600-1000°C), co stwarza ryzyko związane z ciepłem, wymagając efektywnego chłodzenia i odporności materiałów na wysoką temperaturę. Ryzyko wycieków gazu jest niższe, ale wysoka temperatura pracy wymaga specjalnych systemów izolacyjnych i ochronnych. Ze względu na swoje zaawansowanie techniczne, SOFC są mniej podatne na zanieczyszczenia paliwa, ale wymagają regularnej konserwacji systemów chłodzących.
MCFC pracują w temperaturach około 650°C, co oznacza, że wymagają skutecznych systemów zarządzania ciepłem, aby zapobiec uszkodzeniu ogniwa. Elektrolit w postaci stopionego węglanu jest żrący, co wymaga odpowiednich materiałów odpornych na korozję. Systemy te są stosunkowo odporne na zanieczyszczenia paliwa, ale potrzebują regularnych przeglądów ze względu na wysokie temperatury i wymagania materiałowe.
PAFC pracują w temperaturach 150-200°C, co pozwala na stabilne działanie bez nadmiernego ryzyka przegrzania. Elektrolit w postaci kwasu fosforowego jest korozyjny, co wymaga specjalnych materiałów odpornych na działanie kwasu. Konieczne są również systemy ochrony przed wyciekami elektrolitu i regularne inspekcje stanu ogniwa.
DMFC pracują w niskich temperaturach (50-100°C), co zmniejsza ryzyko przegrzania, ale toksyczny i łatwopalny metanol wymaga starannego przechowywania i obsługi. Ważne jest monitorowanie stężenia metanolu, aby uniknąć problemów z wydajnością i bezpieczeństwem pracy. Systemy te wymagają także detekcji wycieków paliwa oraz ochrony przed kontaktami z toksycznymi oparami.
8.4. Koszty i analiza ekonomiczna
Koszty wdrożenia ogniw paliwowych różnią się w zależności od wybranej technologii, paliwa oraz rozmiaru instalacji. Poniżej przedstawiono ogólne koszty związane z poszczególnymi technologiami:
PEMFC, AFC i DMFC:
Ogniwa PEMFC i DMFC mają relatywnie niskie koszty początkowe w porównaniu do bardziej zaawansowanych technologii, takich jak SOFC czy MCFC. Ogniwa AFC są droższe ze względu na swoją specyfikę, ale charakteryzują się długą żywotnością. Ogniwa te oferują też niskie koszty eksploatacyjne, jednak wymagają stałej dostępności paliwa, szczególnie wodoru lub metanolu. AFC są nieco bardziej wymagające w utrzymaniu, ale mają stabilne koszty operacyjne.
Wyżej wymienione ogniwa będą idealne dla mniejszych firm oraz aplikacji zasilania rezerwowego, gdzie priorytetem jest niska cena początkowa i prosta konserwacja.
SOFC, MCFC i PAFC:
Wyższe koszty początkowe tych FC wynikają z bardziej zaawansowanej technologii oraz wymaganej infrastruktury paliwowej. Ogniwa PAFC i MCFC są stosunkowo droższe, ale oferują dłuższą żywotność i stabilność operacyjną. Ich stabilne koszty eksploatacji są związane z elastycznością w zakresie paliw oraz możliwością efektywnego odzysku ciepła.
Te typy ogniw sprawdzą się dla dużych zakładów przemysłowych oraz firm, które planują długoterminowe rozwiązania z możliwością odzysku ciepła.
Odzysk ciepła i wysokotemperaturowe systemy ogniw paliwowych
Technologie wysokotemperaturowe, takie jak SOFC i MCFC, oferują dodatkowe korzyści w postaci odzysku ciepła. Wysokie temperatury pracy (600-1000°C) umożliwiają wykorzystanie ciepła odpadowego do procesów przemysłowych, ogrzewania lub dodatkowej produkcji energii.
Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe są idealnym rozwiązaniem dla elektrociepłowni oraz zakładów przemysłowych, które mogą wykorzystać odzyskane ciepło do zwiększenia efektywności energetycznej systemu.
8.5. Eksploatacja i konserwacja systemów
Efektywna eksploatacja ogniw paliwowych wymaga regularnych przeglądów technicznych, konserwacji oraz monitorowania parametrów pracy, aby zapewnić ich długowieczność i niezawodność. Różne typy ogniw paliwowych mają swoje unikalne wymagania związane z eksploatacją, co jest związane z różnorodnymi temperaturami pracy, rodzajami stosowanych paliw oraz konstrukcją.
Eksploatacja PEMFC wymaga monitorowania czystości paliwa (wodoru) i utrzymania odpowiednich warunków dla membrany, która jest wrażliwa na zanieczyszczenia, szczególnie tlenki węgla. Konieczna jest regularna wymiana membran oraz kontrola stanu katalizatorów, które mogą ulegać degradacji z upływem czasu. Systemy te są stosunkowo proste w eksploatacji, ale wymagają regularnych przeglądów membran i katalizatorów, aby zapobiec obniżeniu wydajności.
Eksploatacja ogniw AFC wiąże się z koniecznością kontroli elektrolitu (wodorotlenku potasu), który jest żrący i może degradować elementy ogniwa. Wymaga to regularnych przeglądów i konserwacji, aby zapobiec wyciekom oraz korozji komponentów. AFC są wrażliwe na zanieczyszczenia paliwa, dlatego konieczna jest dokładna kontrola czystości wodoru oraz utrzymanie odpowiedniego poziomu pH elektrolitu.
Eksploatacja SOFC wymaga monitorowania systemów chłodzenia, ponieważ pracują one w bardzo wysokich temperaturach (600-1000°C). Materiały ogniwa muszą być odporne na naprężenia cieplne, dlatego systemy te wymagają regularnych przeglądów komponentów narażonych na wysoką temperaturę oraz kontrolę stanu izolacji termicznej. W związku z wysoką temperaturą pracy, SOFC są mniej podatne na zanieczyszczenia paliwa, ale ich efektywność może spadać w przypadku długotrwałej eksploatacji bez konserwacji.
MCFC pracują w wysokich temperaturach (około 650°C), co oznacza, że wymagają odpowiednich materiałów odpornych na korozję spowodowaną przez elektrolit w postaci stopionego węglanu. Regularna konserwacja obejmuje przegląd i ewentualną wymianę materiałów odpornych na działanie węglanów oraz kontrolę szczelności ogniwa. MCFC są bardziej odporne na zanieczyszczenia paliwa, ale ich eksploatacja wymaga regularnych kontroli systemów zarządzania ciepłem.
Eksploatacja PAFC obejmuje monitorowanie stanu kwasu fosforowego, który jest korozyjny i może wpływać na trwałość komponentów. Regularna konserwacja obejmuje kontrolę stanu elektrolitu oraz uszczelnień, aby zapobiec wyciekom kwasu. PAFC charakteryzują się długą żywotnością i stabilnością, jednak wymagają przeglądów komponentów eksploatacyjnych, takich jak uszczelnienia i membrany.
Eksploatacja DMFC wymaga monitorowania stężenia i czystości metanolu, aby zapewnić optymalną wydajność. Konieczne jest również utrzymanie prawidłowej wentylacji, aby uniknąć gromadzenia się toksycznych oparów metanolu oraz kontrola szczelności systemu zasilania. Wymagana jest regularna konserwacja membran oraz katalizatorów, które mogą się zużywać w wyniku długotrwałej pracy z metanolem.

9. Podsumowanie
Ogniwa paliwowe stanowią atrakcyjną alternatywę dla tradycyjnych źródeł energii, oferując ekologiczne i efektywne rozwiązania w szerokim zakresie zastosowań, od zasilania awaryjnego, po duże systemy przemysłowe i elektrociepłownie. Natomiast hybrydowe systemy energetyczne oparte na ogniwach paliwowych stanowią kluczowe rozwiązanie w integracji odnawialnych źródeł energii i magazynowaniu energii. Każda z tych technologii ma swoje specyficzne wymagania dotyczące eksploatacji i konserwacji, które są kluczowe dla utrzymania długiej żywotności i niezawodności systemu.
Dobór odpowiedniego ogniwa paliwowego dla danej instalacji wymaga dokładnej analizy potrzeb energetycznych, dostępności paliwa, kosztów operacyjnych, a także aspektów bezpieczeństwa i eksploatacji. Każda z technologii oferuje unikalne zalety w określonych warunkach – od niskotemperaturowych PEMFC i DMFC, idealnych do małych instalacji, po wysokotemperaturowe SOFC i MCFC, które sprawdzają się w przemyśle dzięki możliwości odzysku ciepła i pracy w trudnych warunkach.
Podsumowując, ogniwa paliwowe mogą być efektywnie wykorzystane w systemach hybrydowych z odnawialnymi źródłami energii oraz w magazynowaniu energii, zapewniając stabilność, elastyczność i długowieczność przy jednoczesnym minimalizowaniu negatywnego wpływu na środowisko. Wybór odpowiedniej technologii ogniwa paliwowego zależy jednak od specyficznych potrzeb energetycznych i operacyjnych firmy oraz od dostępnej infrastruktury paliwowej.

10. Bibliografia
[1] Eska, B., & Corneille, M.: Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) und Netzersatzanlagen (NEA) mit Brennstoffzellen. Clean Power Net (CPN), NOW GmbH – Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie, 2018
[2] Politechnika Wrocławska: Klasyfikacja ogniw paliwowych – ogniwa średniotemperaturowe, 07.01.2020 r.
[3] Barbir, F. PEM Fuel Cells: Theory and Practice. Academic Press. (2013)
[4] Singh, S.: A review on recent advancements in proton exchange membrane fuel cells and its application. (2020)
[5] Larminie, J., & Dicks, A.: Fuel Cell Systems Explained. John Wiley & Sons. (2003)
[6] Tolga Kocakulak, Turan Alp Arslan: Investigation of the Use of Fuel Cell Hybrid Systems for Different Purposes, Engineering Perspective 3 (1): 1-8, 2023
[7] Paska J., Kłos M.: Ogniwa paliwową przyszłością wytwarzania energii elektrycznej i ciepła? Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010
[8] Precedense Reaserch: Fuel Cell Market Size Share, and Trends 2024 to 2034
[9] Grand View Reaserch: Fuel Cell Market Size, Share & Trends Analysis Report By Product (PEMFC, MCFC, PAFC, SOFC, AFC, MFC), By Components, By Fuel, By Size, By Application, By End-use, By Region, And Segment Forecasts, 2024 - 2030