Vodík – úschovna energie pro budoucnost

Obnovitelné zdroje energie z větru a fotovoltaiky jsou nyní celosvětově nejekonomičtějším způsobem výroby elektřiny. Zejména výroba elektřiny pomocí fotovoltaiky má další výhodu – modulární konstrukce umožňuje používat velmi malé a decentralizované jednotky na výrobu energie. Na druhou stranu má výroba energie větrem a sluncem i velkou nevýhodu – je závislá na počasí. Elektřina se vyrábí, když fouká vítr nebo svítí slunce. A i když se tyto dva přírodní zdroje dobře doplňují, ne vždy pokryje množství vyrobené elektřiny požadovanou spotřebu. A právě pro účely vyvážení spotřeby a výroby potřebujeme vhodné úložiště.

Úložiště energie

V závislosti na aplikaci a místních podmínkách musí být úložiště schopno uchovat v různých časových úsecích různá množství elektřiny. V zemích s rovnoměrným slunečním svitem po celý rok stačí denní systém, který dokáže ukládat elektřinu v období od rána do večera. Zde dobře poslouží baterie. V regionech s různými ročními obdobími a nerovnoměrným slunečním svitem, jako je Evropa, jsou však zapotřebí úložiště, která dokážou uchovat větší množství energie po delší dobu. A právě pro tento účel je vodík (H₂) ideálním nosičem energie. K jeho výrobě prostřednictvím tzv. elektrolyzérů je potřeba pouze voda a elektřina. Vyprodukovaný vodík lze následně skladovat například v tlakových lahvích. K přeměně vodíku zpět na elektřinu (a teplo) lze v případě potřeby použít palivový článek.

Komponenty

Úložiště na bázi vodíku se skládá z několika komponent: baterie, proudového transformátoru, elektrolýzy s čištěním vody, tlakové akumulační nádrže a palivového článku.

 

Baterie

Baterie s regulátorem nabíjení je rozhraním k elektrické síti. Baterie je připojena buď přímo k FV systému, nebo prostřednictvím domácí elektrické sítě. Baterie slouží jako vyrovnávací úložiště, které dočasně ukládá malé množství a krátkodobé přebytky. Baterie je nejekonomičtějším řešením. Jakmile baterie dosáhne maximální úrovně naplnění, je elektřina využita k výrobě vodíku.

 

Proudový transformátor (DC/DC měnič)

Proudový transformátor přetváří stejnosměrný proud z baterie tak, aby byl vhodný pro provoz elektrolýzy, nebo transformuje proud z palivového článku tak, aby byl vhodný pro uložení do baterie.

 

Palivový článek

Palivový článek je elektrochemické zařízení, ve kterém sloučením vodíkového paliva s kyslíkem dochází ke vzniku elektřiny, tepla a vody. Vzhledem k tomu, že zde nedochází k procesu spalování, neuvolňují se škodlivé emise a jediným vedlejším produktem je čistá voda.

V podstatě jde o galvanický článek, skládající se ze dvou elektrod oddělených membránou nebo elektrolytem. K záporné elektrodě (anodě) je přiváděno palivo, ke kladné elektrodě (katodě) pak okysličovadlo. V prostoru mezi elektrodami se pak obě látky katalyticky slučují.

Palivový článek v podstatě funguje jako elektrolýza naruby, používá dvě elektrody oddělené elektrolytem. Anoda (záporná elektroda) přijímá vodík a ke katodě (kladná elektroda) je přiváděn kyslík. Katalyzátor na anodě rozděluje vodík na kladně nabité vodíkové ionty a elektrony. Kyslík je ionizovaný a migruje elektrolytem k anodické části, kde se slučuje s vodíkem.

Palivový článek též svou činností vytváří odpadní teplo, které je možné využít pro vytápění

Elektrolýza

Elektrolýza je fyzikálně-chemický jev, způsobený průchodem stejnosměrného elektrického proudu kapalinou, při kterém dochází k chemickým změnám na elektrodách.

Při elektrolýze vody se průchodem elektrického proudu roztokem štěpí vazby mezi vodíkem a kyslíkem a voda se tak rozkládá na tyto dva plyny. Celková účinnost tohoto procesu se pohybuje okolo 55–60 %. Na výrobu 1 kg vodíku elektrolýzou je zapotřebí 9 l vody a 60 kWh elektrické energie.

Na přední a zadní straně membrány jsou elektrody, které jsou připojeny ke kladnému a zápornému pólu zdroje napětí. Zde dochází k štěpení molekul vody.

Palivový článek se při výrobě vodíku zahřívá a odpadní teplo je možné využít i pro vytápění objektu, kde je článek nainstalován a vede k velmi dobrému využití původně používaného primárního energetického nosiče vodíku a CO2 neutrální a bez emisí

V současné době se nejčastěji používají tři typy elektrolyzérů, které jsou natolik vyspělé, aby mohly saturovat poptávku na trhu. Jedná se o elektrolyzéry využívající alkalickou elektrolýzu, PEM elektrolýzu a vysokoteplotní elektrolýzu probíhající v palivových článcích s pevnými oxidy.

 

H2 úložiště

Vodík vyrobený elektrolýzou se musí skladovat. K tomu existuje několik možností. Současným trendem je skladování pod tlakem v tlakových lahvích.

 

Využití tepla

Pro zvýšení účinnosti lze teplo uvolněné jak při provozu elektrolýzy, tak při provozu palivového článku využít na teplotní úrovni mezi 40-50 °C.

Diagram vodíkové baterie

Všechny moduly jsou navrženy jako 19 palcové plug-in moduly. To umožňuje maximální flexibilitu v konfiguraci systému. Například je možné zakoupit pouze elektrolýzu a použít ji jako zdroj vodíku.

 

Modulární elektrolýza

Samotná elektrolýza se také skládá z několika 19 palcových plug-in modulů. To znamená, že samotnou elektrolýzu lze flexibilně konfigurovat. Elektrolýza se skládá z rámcového modulu, modulu pro elektrolýzu, modulu pro čištění vody, napájecího modulu a chladícího modulu.

 

Elektrolytický rámový modul ERM

Elektrolytický rámový modul je platforma, do které lze zakomponovat všechny ostatní moduly. Je k dispozici s jedním nebo dvěma oddíly pro 19 palcové stojany.

 

Elektrolytický modul EOM

Elektrolytický modul je navržen jako 19 palcový plug-in modul. Jádrem modulu jsou sestavy řady S30 od H-TEC Systems. Do zásobníku jsou přidány všechny další potřebné komponenty a tvoří tak funkční a bezpečnou jednotku.

Elektrolytický modul je k dispozici ve dvou tlakových stupních. Buď v tlakovém stupni 16 nebo 25. V tlakovém stupni 16 je výstupní tlak vodíku 15 barů, v tlakovém stupni 25: 20 barů a v tlakovém stupni 40 je výstupní tlak 30 barů. Elektrolytický modul je vybaven vodíkovým chladičem, který poskytuje vodík saturovaný s 5°C. Pokud je potřeba více suchého vodíku, je nutný přídavný sušící modul. Elektrolytický modul obsahuje všechny ovládací prvky a komunikační rozhraní potřebná k ovládání celého systému.