Technika wodorowa w budynkach i przemyśle - Elektroliza
Co to jest elektroliza?
Elektroliza jest jedynie procesem, w którym bezpośredni prąd elektryczny jest wykorzystywany do dysocjacji cząsteczki wody na jej składniki: tlen i wodór. Używając odnawialnej energii elektrycznej (słonecznej, wiatrowej,…) uważa się ją za czysty 100% odnawialny wodór H 2. Jest to modułowe i skalowalne rozwiązanie. Proces wytwarzania wodoru nie powoduje spalania ani emisji gazów.
Elektroliza przy użyciu membran PEM (Proton Exchange Membrane) - Zalety
- Wysoka gęstość prądu
- Wysoka wydajność
- Dobra wydajność przy częściowym obciążeniu
- Szybka reakcja systemu
- Kompaktowa
- Wysoka czystość gazu
- Łatwa konserwacja
- Brak niebezpiecznych substancji
Elektrolizer 1MW Skala wielkości
Technologia - Elektroliza PEM - Schemat procesu
- Ogólna instalacja elektryczna: do zasilania wszystkich przyrządów i wyposażenia, zawiera zasilacz bezprzerwowy (UPS), który zapewni energię w przypadku awarii elektrycznej.
- System sterowania: W pełni zautomatyzowany sterownik PLC do monitorowania i sterowania elektrolizera, aby zapewnić prawidłowe działanie całego procesu.
- Prostownik (konwerter AC / DC): Wymagana energia elektryczna, która może pochodzić z odnawialnych źródeł energii, jest dostosowywana przed zasileniem stosu.
- Stos: Energia elektryczna i woda dostają się do systemu, rozszczepiając wodę na cząsteczki wodoru i tlenu.
- Separator tlenu: Wytwarzany tlen jest dwufazowym strumieniem (O2 + H2O), w którym współistnieją tlen w fazie gazowej, parze i śladowe ilości wodoru oraz duża ilość wody w stanie ciekłym. To urządzenie odzyskuje płynną wodę i wypuszcza tlen do atmosfery. Odzyskana woda jest ponownie podawana do stosu w zamkniętej pętli (minimalizacja zużycia wody).
- Pompy: W elektrolizerze znajdują się dwie pompy, jedna do wspomagania wody dejonizowanej podawanej do stosu, a druga do wyrównywania z żywicami dejonizacyjnymi.
- Układ chłodzenia gazu (chiller): Aby schłodzić strumień wodoru, poprawia wydajność całego systemu.
- Separator wodoru: Wytworzony wodór jest również dwufazowym strumieniem (H2 + H2O), w którym współistnieją para wodna, wodór i śladowe ilości tlenu (w fazie gazowej) i ciekłej wody. Z tego powodu i ze względu na czystość wodoru wymaganą w dalszych zastosowaniach, urządzenie to oddziela wodę od wodoru.
- Stacja uzdatniania wody (WTP): która przekształca zwykłą wodę w czystą wodę, wymagane gdy woda dejonizowana (przewodność <0,1 µS / cm, TOC <30 ppb) nie jest dostępna.
- System oczyszczania: Zainstalowany na wylocie z separatora wodoru, składający się z suszarki (zatrzymującej wilgoć) i deoxo (katalityczny rekombinator do zbierania tlenu), w linii z wylotem katody ze stosu - zastosowanie, gdy wymagana czystość wodoru jest wyższa niż 99,9%.
Istnieją cztery aspekty technologiczne rozwoju elektrolizerów do produkcji wodoru
- Technologia stosu (piętrzenie lub układanie membran w stosy, w których zachodzi elektroliza) - Inwestycja i umowa technologiczna Giner ELX.
- Bilans instalacji - BoP Balance of Plant (na podstawie wymagań stosu - Eco-Prius projektuje i rozwija urządzenia oraz systemy pomocnicze, które pozwalają na działanie stosu, optymalizując wydajność całego systemu.
- Technologia integracji (stosu z BoP, elektrolizer z innymi komponentami instalacji, takimi jak magazynowanie i kompresja, oraz instalacja z urządzeniami wykorzystującymi energię odnawialną)
- Wiedza specjalistyczna związana z O&M
Elektolizery małej skali
- Małe elektrolizery są w stanie wytwarzać wodór od 0,5 do 5 Nm3/h.
- Są optymalne dla małych konsumentów: laboratoriów, budynków mieszkalnych, małych flot itp.
- Systemy te są po prostu zintegrowane w szafce.
- Elektrolizery są certyfikowane i opracowywane zgodnie z europejskimi lub amerykańskimi (w zależności od geografii klienta) kodeksami i standardami.
- Eco-Prius dostarcza elektrolizery z oznakowaniem CE i w razie potrzeby, stemplem ETL (wycenionym osobno), a także wymaganymi badaniami bezpieczeństwa (domyślnie HAZOP).
Zdolności produkcyjne elektrolizerów małej skali:
- 0,5N - 0,50 Nm3 H2/h - 1,08 kg H2/dzień
- 1N - 1,0 Nm3 H2/h - 2,15 kg H2/dzień
- 2N - 2,0 Nm3 H2/h - 4,31 kg H2/dzień
- 3N - 3,0 Nm3 H2/h - 6,41 kg H2/dzień
- 5N - 5,20 Nm3 H2/h - 11,22 kg H2/dzień
Elektrolizery średniej skali
- Średnia skala elektrolizerów jest w stanie dostarczać wodór od 10 do 105 Nm3/h
- Systemy te są zintegrowane w kontenerze
Zdolności produkcyjne elektrolizerów średniej skali:
- 10N - 10,5 Nm3 H2/h - 21,68 kg H2/dzień
- 30N - 31,70 Nm3 H2/h - 68,40 kg H2/dzień
- 60N - 63,30 Nm3 H2/h - 136,58 kg H2/dzień
- 100N - 105,50 Nm3 H2/h - 227,60 kg H2/dzień
Elektrolizery wielkoskalowe
- Największe elektrolizery są w stanie dostarczać wodór od 200 do 400 Nm3/h.
- Systemy te są zintegrowane w 40-stopowym kontenerze.
Zdolności produkcyjne elektrolizerów dużej skali:
- 200N - 207 Nm3 H2/h - 446 kg H2/dzień
- 400N - 414 Nm3 H2/h - 893 kg H2/dzień
Przenośne stacje tankowania wodoru
- Kontener 20 - 40 stóp
- Produkcja na miejscu
- 520 Nm 3/h
- 248 samochodów/dzień (z możliwością rozbudowy)
- H35 (350 bar) i H70T40 (700 bar)
- Lekkie i ciężkie pojazdy
Stacjonarne stacje ładowania wodoru
- Rozmiar na żądanie
- W pełni zautomatyzowany i zintegrowany ze stacją tankowania
- 200 kg / dzień: 10 autobusów
- 1000 kg / dzień: 8 ciągników dalekobieżnych
Zakład produkcyjny wodoru H2 - koncepcja modułowa dla marketów
- 10s - 100 MW
- Stacja uzdatniania wody zasilającej
- Ultra-czysty wodór
- Zasilanie 40 barów
- W pełni zautomatyzowany
Ogniwa paliwowe
Jesteśmy przekonani, że wodór będzie podstawą przyszłego globalnego systemu energetycznego. Wzrost energii odnawialnej zapewnia obfitość nadmiaru wodoru, co czyni go powszechnie dostępnym towarem w przyszłości.
Istnieje rosnące zapotrzebowanie na elektryzowanie takiego zielonego wodoru zarówno w zastosowaniach stacjonarnych, jak i mobilnych. W miarę dojrzewania gospodarki wodorowej pojawi się rynek niezawodnych i trwałych rozwiązań.
Wodór wzmocni transformację energetyczną, a my jesteśmy mocno zaangażowani we współpracę z producentem ogniw paliwowych, który inwestuje w rozwój i uprzemysłowienie technologii i produktów PEM.
Ogniwa paliwowe PEM
Membrana wymiany protonów lub ogniwa paliwowe PEM są uważane za najbardziej wszechstronny rodzaj ogniw paliwowych obecnie produkowanych. Wytwarzają największą moc dla danej masy lub objętości ogniwa paliwowego. Ponieważ są lekkie, mają tak wysoką gęstość mocy i możliwość rozruchu na zimno, kwalifikują się do wielu zastosowań, takich jak stacjonarne skojarzone wytwarzanie ciepła, transport, moc przenośna, a nawet zastosowania w przestrzeni kosmicznej. Producent PEM jest dostawcą stosu dla integratorów, którzy mają na celu tworzenie aplikacji o dużej mocy opartych na projektach i którzy spełniają wysokie wymagania dotyczące żywotności i wydajności.
Budynki i przestrzeń zabudowana
Podaż energii ze źródeł odnawialnych oraz zapotrzebowanie na ciepło i energię w środowisku zabudowanym nie są zrównoważone. Podczas gdy słońce świeci najjaśniej w południe, ciepło i moc zużywamy głównie w szczytach porannych i wieczornych. Wodór jest ostatecznym buforem do wyrównania takich asymetrii w naszym systemie energetycznym i wiemy, jak to zrobić najlepiej i we właściwej skali. Nasz zespół ds. aplikacji środowiska zabudowanego jest dobrze wyszkolony, aby pomóc Ci zdefiniować najlepsze rozwiązanie District PEM-CHP dla Twoich potrzeb.
Nasze rozwiązania CHP są kluczem do zapewnienia bezemisyjnych dzielnic
Możliwości lokalnych elektrociepłowni PEM
Opracowaliśmy wszechstronną i kompleksową koncepcję elektrociepłowni PEM-CHP dla środowiska zabudowanego, która umożliwia wyrównanie zestawów systemów energetycznych. Możliwości aplikacji są szeroko rozpowszechnione i obejmują:
- Obszary mieszkalne z sieciami ciepłowniczymi
- Parki wakacyjne
- Hotele i centra konferencyjne
- Kampusy uniwersyteckie
- Parki przemysłowe
- Bloki apartamentowe
- Szpitale
- Centra handlowe
- Inne budynki i dzielnice wymagające ciepła i energii
Energy-yard H2
Wykorzystuje wodór jako mechanizm równoważący między dostawą zielonego ciepła i energii, a zapotrzebowaniem na ciepło i energię na poziomie dzielnicy.
Pilnie potrzebujemy nowych sposobów ogrzewania i zasilania naszych środowisk zabudowanych, a co najważniejsze, potrzebujemy inteligentniejszych sposobów. W pogoni za takimi rozwiązaniami musimy otworzyć się na szerszy kontekst transformacji energetycznej. Potrzebujemy struktury, która integruje monodyscypliny energii elektrycznej, ciepła i gazu w całościową koncepcję, która optymalizuje nasz system energetyczny i która zakłada wszystkie przepływy i transformacje, które są tworzone przez te holistyczne ramy.
Zbudowaliśmy Nasze ramy i oznaczyliśmy je jako składnica energii H2, lokalne rozwiązanie CHP, które integruje funkcję produkcji wodoru, buforowanie wodoru i ciepła, konwersję wodoru do CHP, a także wzmacniacz pompy ciepła. Koncepcja Energy-yard H2 polega na prawidłowym wykorzystaniu mocy do mocy. Zamiast tylko optymalizować moc elektryczną przy konfiguracji mocy do mocy, zbieramy i mobilizujemy ciepło na wszystkich odpowiednich etapach i umożliwiamy elastyczność między misją maksymalnej wydajności elektrycznej, maksymalnym wykorzystaniu ciepła i interakcji pomiędzy nimi.
Nasza propozycja:
- Wodór nie jako zmonopolizowany nośnik energii, ale tylko jako bufor wyrównujący podaż i popyt
- Magazynowanie i dystrybucja wodoru ograniczone do H2 Energy-yard (bez H2 w budynkach), co pozwala na scentralizowaną koncepcję bezpieczeństwa oraz łatwą kontrolę i konserwację
- Strategia podwójnego bufora (ciepła i wodoru) w celu uzyskania maksymalnej wydajności całej instalacji
- Instalacje wewnętrzne (wymiennik ciepła i standardowe dwukierunkowe połączenie elektryczne) są małe, proste i szeroko dostępne
- Dystrybucja ciepła i energii z sieci za pomocą standardowych sieci
- Energia i ciepło bez emisji (również bez emisji NOx);
Wsparcie projektu H2 i zgodność z dyrektywami
Nasz zespół wsparcia projektu przestrzega odpowiednich dyrektyw, norm i przepisów. Mimo że normy WE (w szczególności IEC 62282-3) i odpowiednie dyrektywy WE (w szczególności 2006/42 / WE, 2006/95 / WE) zapewniają silną podstawę zgodności, w kontekście środowiska zabudowanego zawsze ma to znaczenie.
Wspieramy Cię w całym procesie uzyskiwania odpowiednich zezwoleń, w ocenach bezpieczeństwa (HAZID), rozmowach z biurokratami i dalszym planowaniu bezpieczeństwa i zgodności.
Nasz pakiet obsługi projektu dla środowiska zabudowanego jest zawsze dostosowany i posiada zestaw usług inżynieryjnych, które są wymagane, aby Twój projekt zakończył się sukcesem.
Nasze usługi obejmują
- Oceny wykonalności elektrowni wodorowej
- Modelowanie bilansów masy, energii i ciepła
- Badania dotyczące rozmiarów instalacji i zalecenia dotyczące rozwiązań łączących
- Modelowanie termodynamiczne
- Udział w badaniach bezpieczeństwa;
- Pomiary na miejscu
Zastosowanie wodoru w budynkach wielorodzinnych
Najważniejsze wartości ogniwa paliwowego PEM
- Zero emisji cząstek stałych i NOx;
- Zero emisji CO i CO2 podczas pracy - czysty wodór;
- Długi czas życia (> 20 000 godzin) na remont;
- Wysoka gęstość mocy;
- Niska temperatura, a co za tym idzie - wszechstronne działanie;
- Sprawdzona technologia z dużym doświadczeniem w wielu różnych zastosowaniach;
- Najlepiej pasujący typ ogniwa paliwowego lub siatki cieplne 4-tej generacji;
- Zwycięzca CAPEX.
Ogniwa paliwowe połączone w kaskady
Moce ogniw paliwowych
7-XXL PEM FUEL CELL STACK
10-XXLPEM FUEL CELL STACK
13-XXL PEM FUEL CELL STACK
Duże elektrownie PEM
PEM GEN CHP-FCP-1000 to system zasilania ogniwami paliwowymi PEM przeznaczony do zastosowań przemysłowych, do celów Power-2-Power dla farm słonecznych i farm wiatrowych oraz do zastosowań kogeneracyjnych w środowisku zabudowanym. CHP-FCP-1000 jest zoptymalizowany pod kątem bezproblemowej integracji z lokalnymi lub zbiorowymi sieciami elektroenergetycznymi dzięki możliwości korzystania z wszelkiego rodzaju komercyjnej, gotowej do użycia elektroniki mocy. Oferta systemów zasilania ogniwami paliwowymi PemGen jest dostępna w konfiguracji na zamówienie.
PEM CHP track record
Rodzaje ogniw paliwowych (zwyciezca PEMFC)
Zasada działania ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów
W ogniwie paliwowym PEM wodór i tlen reagują w materii elektrochemicznej, wytwarzając prąd elektryczny, czystą wodę i ciepło. Strukturę pojedynczego ogniwa paliwowego wyjaśniono poniżej:
Rozkład ogniw paliwowych
Cienkie warstwy w kolorze ciemnoniebieskim przedstawiają warstwy dyfuzji gazu (GDL). Szare warstwy to elektrody wykonane z materiałów przewodzących węgiel i jonomer, niosących katalizator, platynę. Pomiędzy tymi warstwami, w kolorze jasnoniebieskim, znajduje się elektrolit przewodzący proton, zwany membraną wymiany protonów (PEM).
Zasada działania PEM
Membrana PEM jest cienką warstwą wykonaną z PFSA (Per Fluor Sulfonic Acid). Jonomer w elektrodach również składa się z PFSA. PFSA posiada szkielet polimeru PTFE z łańcuchami bocznymi, do których przyłączony jest kwas sulfonowy (SO3H). Membrana przepuszcza protony, ale jest nieprzepuszczalna dla elektronów. Membrana musi być nasycona wodą, aby działała jak nośnik protonów. Połączenie wody i kwasu sulfonowego pozwala jonom H+ na przejście przez membranę, więc nawilżanie membrany jest niezbędne. Membrana jest również słabo przepuszczalna dla gazów takich jak wodór, tlen i azot. Podczas pracy głównym składnikiem powietrza dyfundującym z katody (strona tlenu) do anody (strona wodoru) jest azot, ponieważ tlen będzie reagował z protonami.
Połączone warstwy membrany, elektrod i dyfuzji gazowej (GDL) stanowią zespół elektrod membranowych (MEA). Gdy obecny jest wodór i tlen z powietrza, na membranie powstaje różnica potencjałów około 1V (maksymalnie 1,23V). Różnica potencjałów jest mniejsza, gdy prąd przepływa przez membranę. Dla prądu ogniwa paliwowego o wartości 120A, powszechnie stosowanego w elektrowni PEM, napięcie spada do 0,7V na początku okresu eksploatacji (BOL). Odpowiada to wydajności konwersji energii wodoru na energię elektryczną na poziomie 56%. Uwaga: dla tej liczby zastosowano niższą wartość opałową (LHV) wodoru. Pozostałe 44% energii wodoru jest przenoszone z wodą chłodzącą. Energia cieplna ciepłej wody może być wykorzystana do użytecznych celów. W okresie eksploatacji ogniwa paliwowego sprawność elektryczna spadnie, a sprawność cieplna wzrośnie, aby pozwolić na ciągle wysoką sprawność połączonego systemu.
- Całkowita reakcja 2 H2 + O2 → 2 H2O dzieli się na główne reakcje:
- Na anodzie (po stronie wodoru): 2 H2 → 4 H + + 4 e¬-
- Na katodzie (po stronie powietrza): O2 + 4 H + + 4 e-- → 2 H2O
Od komórki do stosu
W stosie ogniw paliwowych ogniwa paliwowe są połączone szeregowo, aby osiągnąć użyteczne napięcie i utworzyć stos. Takie stosy PEM są blokiem większych układów ogniw paliwowych.
Koncepcja stosu: Stos składa się z komórek połączonych szeregowo
Krzywa IV
Na poniższym wykresie pokazano zmianę napięcia z prądem dla typowego stosu PEM. Ogniwo paliwowe zawsze podąża za nałożonym obciążeniem. Aby podążać za tym ładunkiem, musi być obecny odpowiedni wodór i tlen. Jeśli brakuje reagentów, ogniwo paliwowe zużywa materiały elektrod, takie jak węgiel, i sam się uszkadza. Dlatego należy zapewnić dostępność wodoru i powietrza przed przyłożeniem obciążenia. Monitorowanie napięcia ogniw jest zainstalowane, aby zapobiec uszkodzeniom, gdy ustawienia obciążenia są zbyt wysokie. Grupa stosów zatrzyma się automatycznie, gdy napięcie ogniwa na dowolnym stosie w tej grupie spadnie poniżej wartości progowej T.
Odzyskiwanie ciepła i produkcja wody
Stosy ogniw paliwowych PEM produkowane w EU działają w temperaturach około 65°C. Nadmiar ciepła wytworzonego podczas wytwarzania energii jest przenoszony przez czynnik chłodzący. Jest to czysta woda o przewodności elektrycznej poniżej 5µS/cm. Woda musi utrzymywać niskie przewodnictwo, aby zapobiec prądom zwarciowym między poszczególnymi komórkami. Woda zdemineralizowana skutecznie przenosi wytworzone ciepło.
Reakcja katodowa O2 + 4 H + + 4 e- → 2 H2O generuje wodę z boku ogniwa paliwowego, w którym jest obecne powietrze. Tlen reaguje na katodzie, podczas gdy azot działa obojętnie, uniemożliwiając łatwy dostęp tlenu do katalizatora. Woda wytwarzana w reakcji ma tendencję do tworzenia kropelek, utrudniając przepływ powietrza do katody. W przypadku prądu stosu, tj. 120A, przepływ powietrza musi zatem zawierać dwa razy więcej tlenu niż zużyta ilość. Wytworzona woda jest zbierana za pomocą skraplacza. Ta czysta woda jest dostępna do nawilżania wodoru i powietrza lub może być również wykorzystywana do innych celów lub odprowadzana przy braku przydatnych celów.
Reakcja anodowa 2 H2 → 4 H + + 4 e- jest prosta i przyciąga wodór do ogniw paliwowych. Przed wejściem do stosów wodór jest nawilżany. Na wylocie kominów stężenie pary wodnej jest wyższe niż na wlocie, ze względu na zużycie wodoru wewnątrz kominów. Zwiększone stężenie wody powoduje powstawanie kropelek. Nadmiar wodoru w porównaniu do stechiometrii jest wymagany do usunięcia tych kropelek. Producent PEM wykorzystuje minimalny nadmiar wodoru wynoszący 25%. Nadmiar wodoru zawraca się do obiegu.
Elektrociepłownia wodorowa - Schemat przebiegu procesu
Elektrociepłownia wodorowa - komponenty systemu
Główne zalety stosowania elektrociepłowni wodorowych - Elektrociepłownia wodorowa H2:
- Oferuje rozwiązanie asymetrii między produkcją odnawialną a zapotrzebowaniem.
- Nie jest monopolem na dostarczanie ciepła, zimna i energii, ale jako uzupełnienie takich rozwiązań, jak pompy ciepła.
- Umożliwia dostawę energii o zerowej emisji.
- Koncentruje się na cieple, zimnie i elektryczności.
- Wspiera takie projekty, jak panele słoneczne, energie wiatrową i elektryfikację zabudowanego środowiska.
- Oferuje wsparcie dla sieci elektrycznych.
Rola wodoru
Podtrzymanie energii - czas
- Dni - zmagazynowana energia wodoru
- Godziny - baterie, zmagazynowana energia wodoru, superkondensatory o wysokiej energii, pompowana zmagazynowana energia wodna, zmagazynowana energia sprężonego powietrza CAES
- Minuty - Energia kinetyczna z wirujących kół długodystansowa, baterie, stopiona sól, zmagazynowana energia sprężonego powietrza CAES
- Sekundy - superkondensatory dużej mocy, energia kinetyczna z wirujących kół dużej mocy, superkondensatory dużej mocy, nadprzewodzące magazynowanie energii magnetycznej SMES