ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина VI, брой 1, 2014

Горивни клетки, ползващи природен газ

От началото на 90-те години на миналия век все повече генератори на електрическа енергия започват да използват природен газ и така търсенето му се увеличава значително. Благодарение на технологичните иновации се добиват по-големи количества природен газ и индустрията успява да отговори на повишеното търсене. Горивните клетки с природен газ са електрохимични устройства, които ефикасно преобразуват химическата енергия от богат на водород горивен източник в електрическа енергия и топлина с изключително ниски въздушни емисии. Те са едно от основните технологични нововъведения, които са разработени наскоро и имат много предимства.

Горивните клетки могат да произвеждат електричество чрез електрохимични реакции за разлика от производството на електричество чрез изгаряне на фосилни горива. Подобно на батериите, една горивна клетка е съставена от много отделни клетки, които се групират и образуват пакет горивни клетки. Всяка отделна клетка съдържа анод, катод и електролитен слой. По същество горивната клетка работи като се пропуска гориво, обикновено водород, и окислители върху електродите, които са разделени от електролита. Това поражда химична реакция, в резултат на която се получава електричество, без да се изисква изгаряне на гориво или добавяне на топлина, както е при традиционното производство. Когато се използва чист водород за гориво и чист кислород за окислител, от реакцията, която се осъществява, се получава само вода, топлина и електричество. На практика използването на горивни клетки води до много ниски емисии на вредни замърсители и до производството на висококачествено и надеждно електричество. Една батерия доставя фиксирано количество енергия, а горивните клетки непрекъснато генерират електричество докато се подава гориво.

Горивните клетки използват горивото много по-ефективно отколкото буталните двигатели и газовите турбини и фактически не генерират замърсявания като азотен оксид (NОx), серен оксид (SOx) или твърди примеси в атмосферата (PM10), като количеството на въглеродния диоксид (CO2) е намалено значително. Работата на горивните клетки не се възпрепятства от външни влияния като часови интервал от денонощието или метеорологичните условия, които засягат други приятелски настроени към околната среда технологии като вятърни турбини и соларни инсталации.

Предимства на горивните клетки с природен газ
Използването на горивни клетки с природен газ има многобройни предимства. Едно от тях е чистото електричество – горивните клетки предоставят най-чистия начин за производство на електроенергия от фосилни горива. Смята се, че горивните клетки с чист водород и чист кислород произвеждат само вода, електричество и топлина, но на практика се получават следи от емисии от серни съединения и много ниски нива на въглероден диоксид, който е концентриран и може да бъде лесно уловен, вместо да се изпуска в атмосферата. Разпределеното производство е друго тяхно предимство – горивните клетки са с изключително компактни размери, позволявайки монтирането им навсякъде, където е необходима електроенергия. Това включва жилищни, търговски, индустриални и транспортни приложения.

Горивните клетки са напълно затворени системи без движещи се части или сложни механизми, което ги прави изключително надеждни. Те са сигурен източник на електроенергия и могат да функционират хиляди часове. В допълнение, те са безшумни и могат да се използват там, където е необходим постоянен и надежден източник на електроенергия. Горивните клетки преобразуват много по-ефикасно съхранената във фосилните горива енергия в електричество, отколкото при традиционното електропроизводство. Това означава, че е необходимо по-малко гориво за производство на същото количество електричество. Извършени са оценки, които показват че в комбинация с турбини на природен газ съоръженията за производство на електроенергия в обхвата от 1 до 20MW работят със 70% производителност, което е много по-висока стойност от производителността, достигана при традиционните методи.

Технологии и приложения
Американската компания FuelCell Energy произвежда горивни клетки по четири основни технологии – карбонатна (MCFC) в обхвата 300kW – 2,8MW, с твърди оксиди (SOFC) – до 200kW, с фосфорна киселина (PAFC) – по-малко от 10kW, и с полимерна електролитна мембрана (PEM) – до 100kW. Налични са и по-големи капацитети в съставни пакети – от 5MW до 50MW. Всеки тип е за специфични приложения с по-големи или с по-малки мащаби или за стационарни или мобилни приложения. Електроцентралите с горивни клетки се конструират за производство на електроенергия на място – университети, болници, индустриални, правителствени, търговски и информационни центрове, както и за включване в електроенергийната система.

Електроцентралите Direct FuelCell (DFC) на FuelCell Energy са базирани на карбонатната технология. Името на карбонатните горивни клетки произхожда от техния електролит, който се състои от калиеви и литиеви карбонати. За да произведат електричество, карбонатните горивни клетки генерират водород директно от горивен източник – природен газ или възобновяем биогаз, чрез процес, наречен вътрешен реформинг, патентован от FuelCell Energy. Горивото се подава към пакета горивни клетки, където метанът от горивото се реформира вътрешно и се получава водород и въглероден диоксид. Горивото излиза от анода и доставя кислород и въглероден диоксид на катода. От катода излизат топлина и водни пари. Електрохимичните реакции в анода и катода произвеждат постоянен ток, който след това се преобразува в променлив ток. Получената от катода топлина подгрява постъпващото гориво и се извежда навън за отопление и охлаждане на сгради и съоръжения или се използва за производство на пара. Тъй като няма изгаряне на гориво, на практика не се генерират вредни емисии от азотен оксид (NOx), серен оксид (SOx) или твърди частици във въздуха. Електроцентралата DFC се състои от пакет горивни клетки, а за мулти-мегаватовите приложения – от модул горивни клетки, който е съставен от пакети горивни клетки.

Eлектроцентралите DFC от FuelCell Energy имат много предимства пред конвенционалните и алтернативните източници на електроенергия: те са свръхчисти, благодарение на липсата на замърсители, и поддържат целите за устойчивост; икономични са, тъй като високата производителност намалява разходите за гориво; имат подобрена надеждност и сигурност при разпределено производство на място; гъвкави са за работа с природен газ, възобновяем биогаз или директен биогаз; с комбинирано производство на електроенергия и топлина и производителност до 90%; лесно се инсталират в населени места поради ниското ниво на шум и вибрации; имат ниско съдържание на въглеродни следи и отсъствие на замърсители; производителността им при производство на електроенергия е от 45% до 70% в зависимост от конкретното приложение.

Друга американска компания – ClearEdge Power, предлага на пазара високоефективни системи с горивни клетки PureCell® Model 5 и PureCell® Model 400. PureCell® Model 5 генерира 5kW електроенергия и 21хил.Btu/h топлина при комбинирани приложения за електроенергия и топлина (CHP) – информационни центрове, хотели, ресторанти, фитнес центрове, супермаркети и многофамилни жилища. PureCell® Model 400 генерира 400kW електроенергия и 1,5млн.Btu/h топлина за CHP приложения. Освен посочените за Model 5 приложения, тук се включват и индустриални такива – бутилиращи фабрики, фармацевтична промишленост, съоръжения за обработка на храна и др., както и учебни заведения и офисни сгради. Model 400 се използва и в абсорбционни чилъри за производство на около 50 тона охладена вода.

И двете системи предлагат на клиента сигурна енергия и гъвкавост при монтаж. Те могат да бъдат инсталирани на открито или на закрито, от приземния етаж до покрива, и изискват площи и обеми, съизмерими с тези за соларните инсталации. Повече от половината от енергията при традиционните, централизирани системи се изпуска през комина и се реализират топлинни загуби. Системите с горивни клетки PureCell Model 5 и PureCell Model 400 имат производителност до 90% и функционират с природен газ. Тяхната работа е надеждна и не се влияе от метеорологичните условия или от това дали е ден или нощ. Те могат да работят независимо или в паралел с електроенергийната система, като предоставят важен резерв при природни бедствия, извънредни ситуации и колебания в мрежата. Системите могат да бъдат контролирани дистанционно.

На Стария континент за постигане на целите за климата EU2020 Европейската комисия поставя като приоритет разработването и пускането на пазара на горивни клетки, които са една от върховите технологии за приятелски настроено към околната среда производство на децентрализирана енергия.

Кофинансиран от Европейския съюз, проектът ene.field ще осигури до 1000 микро-CHP инсталации за жилищни нужди от 9 фирми в 12 страни членки. Германската фирма Elcore е една от първите, която разработва и произвежда високоефективни енергийни системи, използващи горивни клетки с природен газ за електроенергия и отопление на жилищни сгради. Elcore ще инсталира 135 CHP системи Elcore 2400 в рамките на този проект. Elcore 2400 е компактен продукт, който се монтира на стена и задоволява основните енергийни нужди на едно индивидуално жилище като произвежда 300W електрическа мощност и 600W отоплителна мощност за топла вода и отопление.

Времето, когато горивни клетки са се използвали само са захранване на космически кораби отдавна е отминало. Сега са налични различни типове горивни клетки, които са все по-достъпни за разнообразни приложения. Производството на електроенергия е традиционно неефективен процес, свързан със замърсяване на въздуха. Благодарение на новите технологии с горивни клетки и развитието на индустрията за добив на природен газ, бъдещето на производството на електроенергия ще се промени значително през следващите години. Необходими са по-нататъшни проучвания и разработки на горивните клетки, за да се достигне едно рентабилно ниво, отговарящо на многообразните изисквания за производство на електроенергия.