Nowe narzędzie zwiększa konkurencyjność rynku ogniw paliwowych
Ogniwa paliwowe, które wytwarzają energię elektryczną w procesach elektrochemicznych, stanowią ekologiczną alternatywę dla rozwiązań opartych na paliwach kopalnych. Pomimo istotnego postępu technologii ogniw paliwowych w ostatnich latach, ta obiecująca alternatywa dla wytwarzania energii elektrycznej nie zyskała jeszcze szerokiej akceptacji, gdyż nadal ustępuje rozwiązaniom konwencjonalnym pod względem kosztów, dostępności i niezawodności. Finansowany ze środków UE projekt RUBY(odnośnik otworzy się w nowym oknie) przyczynił się do zmiany tego stanu rzeczy. Specjalnie opracowany zestaw narzędzi do monitorowania, diagnostyki, prognozowania i kontroli (MDPC) wykorzystuje algorytm optymalizacji w czasie rzeczywistym (ang. Real Time Optimisation, RTO) do sterowania, a także elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną (EIS)(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – powszechnie uznaną metodę badania zjawisk zachodzących w stosach ogniw paliwowych – w celu poprawy wydajności ogniw paliwowych i obniżenia ich kosztów.
Ukierunkowanie na stacjonarne ogniwa paliwowe
Ogniwa paliwowe (FC), które są znacznie bardziej przyjazne dla środowiska niż systemy energetyczne zasilane paliwami kopalnymi, znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, w tym w transporcie, stacjonarnym wytwarzaniu energii i mobilności. W przypadku wykorzystania czystego wodoru jako paliwa, stosy ogniw paliwowych – zazwyczaj złożone z setek pojedynczych ogniw – wytwarzają energię elektryczną, której jedynymi produktami ubocznymi są woda i ciepło. Dwa najbardziej dojrzałe technologicznie typy ogniw paliwowych to ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC), które do działania potrzebują wysokich temperatur, oraz ogniwa paliwowe z membraną protonowymienną (PEMFC), które działają w niższych temperaturach. Zespół projektu RUBY opracował narzędzia do oceny obu typów FC w warunkach stacjonarnych.
MDPC, EIS i rozwiązanie RUBY
EIS opiera się na koncepcji impedancji(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – złożonej miary reakcji materiału na przepływ prądu przemiennego. W EIS do stosu FC przykładany jest bodziec w postaci prądu elektrycznego o różnych częstotliwościach, a następnie rejestrowane są odpowiedzi napięciowe. Pomiary te stanowią spektrum danych impedancji, do których stosowane jest narzędzie MDPC. Podczas gdy EIS jest standardem branżowym do analizy charakterystyki elektrycznej ogniw paliwowych, innowacje projektu RUBY uczynią to podejście znacznie bardziej opłacalnym. „EIS jest powszechnie wykonywana w środowisku laboratoryjnym przy użyciu drogich instrumentów, ale zespół projektu RUBY zademonstrował możliwość wdrożenia EIS w systemach FC działających w terenie. Proponowane podejście stwarza możliwość uzyskania skutecznego, taniego rozwiązania dla komercyjnych systemów FC”, mówi koordynator projektu Cesare Pianese.
Kampanie eksperymentalne z użyciem PEMFC i SOFC
Badacze przetestowali skuteczność narzędzia MDPC na 110 widmach elektrochemicznych z systemów PEMFC i 259 widmach z systemów SOFC. Wyniki były imponujące. Według Pianese‘a: „Algorytm diagnostyczny oparty na EIS wykrył 100% wadliwych stanów i wyizolował 85% usterek występujących w PEMFC, podczas gdy w przypadku SOFC wykryto 100% wadliwych stanów i wyizolowano 70% usterek”. Co więcej, algorytm sterowania RTO opracowany w ramach projektu doprowadził do wzrostu wydajności systemu skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej opartego na SOFC o 5%. „Warto podkreślić, że poprawa ta została osiągnięta w ułamku czasu oraz przy ułamku kosztów, które byłyby konieczne do uzyskania porównywalnego wzrostu wydajności poprzez istotne innowacje materiałowe lub projektowe”, zauważa Pianese. Rozwiązanie zaproponowane przez zespół projektu RUBY jest tanie i wszechstronne. Narzędzie MDPC, oparte zarówno na diagnostyce EIS, jak i kontroli RTO, można zastosować do dowolnego urządzenia elektrochemicznego. Wiele narzędzi opracowanych przez zespół projektu jest publicznie dostępnych za pośrednictwem strony internetowej projektu. Postępy badawcze sprawiają, że przyjazne dla środowiska ogniwa paliwowe są coraz bliżej powszechnej komercjalizacji.
