Nowatorska technologia ogniw paliwowych ułatwi przeprowadzenie przemysłu w stronę floty napędzanej wodorem

Projekt CH2P wprowadza nowe rozwiązania technologiczne w zakresie korzystania ze stacji tankowania wodoru, które umożliwią kogenerację wodoru, ciepła i elektryczności z gazu ziemnego i biometanu. Urządzenia te charakteryzuje wysoka wydajność i niski wpływ na otoczenie, a także wytwarzanie wodoru wysokiej jakości.

Transport i mobilność

Energia

© Alexander Kirch, Shutterstock

Jednak na zastąpienie tradycyjnych stacji paliw punktami ładowania pojazdów elektrycznych, nie wspominając już o punktach tankowania wodoru, przyjdzie nam jeszcze trochę poczekać. Przejście będzie miało charakter postępowy, a w przypadku pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi podobnie będzie przebiegać wdrażanie technologii.

Projekt CH2P (Cogeneration of Hydrogen and Power using solid oxide based system fed by methane rich gas) powstał jako efekt zrozumienia, że ilość zielonego wodoru pochodzącego ze źródeł odnawialnych jest z natury zmienna i czasami będzie wymagać uzupełnienia. Celem projektu stało się zatem opracowanie technologii przejścia – systemu wytwarzania wodoru z ubogiego w węgiel gazu ziemnego lub biometanu.

Powstałe w ramach projektu CH2P ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem zasadą działania przypominają kogeneratory. Wytwarzają wodór, wykorzystując do tego wysokowydajne ciepło pochodzące z ogniwa paliwowego. W centrum technologicznym Shell w Amsterdamie, w Niderlandach powstaje prototyp takiego ogniwa. Szczegóły projektu CH2P przybliży nam Luigi Crema, jego koordynator.

Obecnie w przemyśle samochodowym oraz w projektach sieci tankowania paliwa priorytetem wydają się być pojazdy elektryczne. W jaki sposób można wyjaśnić ten brak zainteresowania pojazdami elektrycznymi z ogniwami paliwowymi?

Luigi Crema: Z zewnątrz rzeczywiście może to tak wyglądać i powodów należy przypuszczalnie upatrywać w obecnym stanie zaawansowania prac nad sieciami tankowania wodoru i towarzyszącej im infrastruktury. Ale w kilku krajach UE sytuacja ta zmienia się gwałtownie. Przykładowo w Niemczech powstało 80 stacji tankowania wodoru, a plany zakładają uruchomienie łącznie 1 000 do 2030 roku.

Należy także podkreślić, że zainteresowanie pojazdami elektrycznymi z ogniwami paliwowymi wzrasta wraz z konsolidacją z programami wprowadzającymi stacje ładowania pojazdów elektrycznych z akumulatorami. Mimo że prace nad pojazdami elektrycznymi z akumulatorami trwają dłużej, widzę tu dwa istotne czynniki, które w najbliższych latach przyczynią się do wzrostu zainteresowania pojazdami elektrycznymi z ogniwami paliwowymi. Przede wszystkim sektor transportu o dużej ładowności przejawia rosnące zainteresowanie stosowaniem ciężarówek, pociągów towarowych i statków napędzanych ogniwami paliwowymi. W przypadku pojazdów poruszających się na dużych odległościach wodór jest niewątpliwie optymalnym rozwiązaniem paliwowym. Po drugie mamy coraz więcej dowodów, że sama sieć elektryczna nie wystarczy do całkowitego pokrycia przyszłego zapotrzebowania energetycznego. Musimy raczej myśleć o łączeniu różnych branż, jeśli chcemy mieć nadzieję na osiągnięcie stanu społeczeństwa nieemitującego przed rokiem 2050. Istnieje kilka istotnych zastosowań, w których cząsteczki (wodór) mają przewagę nad elektronami (akumulatory i przewody). Moim zdaniem potrzebujemy obu tych źródeł energii, jeśli chcemy osiągnąć cele wyznaczone przez Komisję Europejską na rok 2050.

W jaki sposób projekty takie jak CH2P mogą pomóc w rozpowszechnieniu stosowania pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi?

CH2P to innowacyjny system stacji tankowania wodoru. Może stanowić wsparcie na wczesnym etapie rozwoju infrastruktury transportowej, stanowiącym przygotowanie na pojawienie się pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi.

System CH2P kogeneruje wodór, ciepło i energię elektryczną za pomocą technologii wykorzystującej ogniwa ze stałym tlenkiem napełniane gazami bogatymi w metan. Osiągniecie niebywale dużej wydajności układu – sięgającej 80 % – pozwala znacznie zmniejszyć ślad węglowy. Układ wytwarza zarówno wodór, jak i energię elektryczną, mając przy tym znacznie mniejszy wpływ na środowisko niż konwencjonalne technologie. Można go z powodzeniem wykorzystać do tankowania na jednej stacji wielopaliwowej wszystkich paliw wymienionych w dyrektywie europejskiej DAFI.

Co dokładnie sprawia, że system ten jest tak innowacyjny? Czy może pan to bardziej przybliżyć?

Projekt CH2P wprowadza kilka innowacji. Przede wszystkim to reforming metanu połączony z elastycznym użyciem ogniw ze stałym tlenkiem. Ta elastyczność doskonale odpowiada potrzebom użytkowników stacji tankowania. Jednocześnie kogeneracja zmiennych ilości wodoru, ciepła i energii elektrycznej optymalizuje wartość ekonomiczną oraz ślad węglowy, a także sprawia, że proponowane rozwiązanie jest bardzo wydajne.

Pozostaje też kwestia rdzenia ogniwa paliwowego. Pracujemy nad innowacyjnymi elementami uzupełniającymi, które będą otaczać zarówno stronę ciepłą, jak i zimną. Wkładamy też wiele wysiłku w optymalizację całego układu. Mam tu na myśli wydajny system oczyszczania w postaci adsorbera zmiennociśnieniowego (PSA) połączonego z krokiem zwiększania ciśnienia przez kompresor wodoru.

Jak blisko jesteście osiągnięcia wyznaczonego celu?

Przeprowadziliśmy ocenę wszystkich elementów konstrukcyjnych układu końcowego i zminimalizowaliśmy ryzyko awarii na drodze starannej symulacji procesu. Przeanalizowaliśmy ogólny zarys technologii, a także plany układów sterowania i bezpieczeństwa przygotowane dla pierwszego prototypu. Przeprowadziliśmy w związku z tym badania laboratoryjne i fabryczne, sprawdziliśmy zachowanie i oceniliśmy działanie poszczególnych komponentów. Nasze działania cieszą się poparciem wszystkich partnerów, w tym Shella.

Jakie były najważniejsze trudności, jakie napotkaliście, i jak je przezwyciężyliście?

Mieliśmy pewne opóźnienie, ale zrównoważyliśmy je dobrymi wynikami, jakie udało się nam osiągnąć. W przypadku technologii CH2P mamy do czynienia raczej z przełomem niż stopniowym rozwojem innowacji w zakresie ogniw z tlenkiem trwałym. Etapy projektowania i weryfikacji różnych części technologi były złożone, a dostosowanie celów do ograniczeń poszczególnych elementów było bardzo wymagające.

Ostatecznie udało się nam osiągnąć więcej niż zamierzaliśmy, ponieważ przygotowaliśmy rozwiązanie, które łączy w sobie elastyczność stosowania i wytwarzania energii z dużą wydajnością i niewielkimi kosztami. Nie przewidywaliśmy tego w początkowej fazie projektu, kiedy powstawały jego podstawy technologiczne, ale z czasem stało się to propozycją wartości układu CH2P.

Co jeszcze jest w planach przed zakończeniem projektu?

Obecnie przygotowujemy się do testowania prototypu w HyGear w Arnhem (Niderlandy) pod pełnym obciążeniem 20 kgH2/dzień. Następnie przeprowadzimy integrację drugiego modułu, dzięki czemu będziemy mogli wykonać test pilotażowy w centrum technologicznym Shell w Amsterdamie. Następnie system CH2P zostanie podłączony do lokalnej struktury tankowania wodoru.

Na zakończenie projektu CH2P przeprowadzimy pełną analizę cyklu życia, której wykonaniem zajmie się firma Vertech. Chcemy w ten sposób ocenić ślad środowiskowy, emisję węgla oraz wpływ kosztów na nową technologię. To jednak nie koniec prac. Otrzymaliśmy kolejny grant na zbadanie możliwości przeprowadzenia odwrotnego procesu przy użyciu tej samej technologii w celu uzyskania trybu pracy odwrotnej elektrolizy z użyciem energii ze źródeł odnawialnych.

Nowy projekt SWITCH rozszerzy zastosowanie systemu CH2P przez rozwój nowych rozwiązań, które pozwolą wytwarzać głównie zielony wodór (uzyskiwany w trybie elektrolizy z użyciem źródeł odnawialnych) w sposób gwarantujący ciągłość dostaw (podczas działania CH2P z użyciem mieszanin wzbogacanych metanem). To warunek wstępny gwarantujący użycie z jednoczesną maksymalizacją wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych.

Słowa kluczowe

CH2P, wodór, gaz ziemny, biometan, technologia przejściowa, ogniwo paliwowe