VYSOKEacute UČENIacute TECHNICKEacute V BRNĚBRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNIacuteHO INŽENYacuteRSTVIacuteUacuteSTAV PROCESNIacuteHO A EKOLOGICKEacuteHOINŽENYacuteRSTVIacute

FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERINGINSTITUTE OF PROCESS AND ENVIRONMENTALENGINEERING

VYacuteROBA VODIacuteKU Z OBNOVITELNEacuteHO ZDROJEELEKTRICKEacute ENERGIE

HYDROGEN PRODUCTION FROM RENEWABLE ENERGY SOURCE

DIPLOMOVAacute PRAacuteCEMASTERS THESIS

AUTOR PRAacuteCE Bc PETR LAKVAAUTHOR

VEDOUCIacute PRAacuteCE doc Ing JAROSLAV JIacuteCHA CScSUPERVISOR

BRNO 2013

Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacuteUacutestav procesniacuteho a ekologickeacuteho inženyacuterstviacute Akademickyacute rok 20122013

ZADAacuteNIacute DIPLOMOVEacute PRAacuteCE

student(ka) Bc Petr Lakva

kteryacutekteraacute studuje v magisterskeacutem navazujiacuteciacutem studijniacutem programu

obor Procesniacute inženyacuterstviacute (3909T003)

Ředitel uacutestavu Vaacutem v souladu se zaacutekonem č1111998 o vysokyacutech školaacutech a se Studijniacutem a zkušebniacutem řaacutedem VUT v Brně určuje naacutesledujiacuteciacute teacutema diplomoveacute praacutece

Vyacuteroba vodiacuteku z obnovitelneacuteho zdroje elektrickeacute energie

v anglickeacutem jazyce

Hydrogen production from renewable energy source

Stručnaacute charakteristika problematiky uacutekolu

Vyacuteroba elektrickeacute energie z obnovitelnyacutech zdrojů sebou přinaacutešiacute celou řadu probleacutemů Jedniacutem z nich je sladěniacute ziacuteskaneacuteho vyacutekonu do časovyacutech paacutesem s nejvyššiacute spotřebou Toho lze dosaacutehnout pouze využitiacutem některyacutech možnostiacute konzervace ziacuteskaneacute elektrickeacute energie do formy využitelneacute podle vznikleacute potřeby Takovou formou konzervace je vyacuteroba vodiacuteku jako energetickeacuteho paliva s vysokyacutem potenciaacutelem využitiacute

Ciacutele diplomoveacute praacutece

Rozbor problematiky vyacuteroby elektrickeacute energie ve větrnyacutech elektraacuternaacutech Popis větrnyacutech podmiacutenek lokality kde majiacute byacutet instalovaacuteny větrneacute elektraacuterny vyacuteběr typů a vyhodnoceniacute elektrickeacuteho vyacutekonu Popis a funkce moderniacutech elektrolyzeacuterů Způsoby skladovaacuteniacute vodiacuteku tlakoveacute naacutedrže hybridy kovů bezpečnost Obvyklaacute uspořaacutedaacuteniacute elektrickeacuteho zapojeniacute větrnyacutech elektraacuteren elektrolyzeacuterů a pomocnyacutech zařiacutezeniacuteProvozovaacuteniacute zařiacutezeniacute s využitiacutem zaacutesobniacuteků vodiacuteku pro vyrovnaacutevaacuteniacute časoveacuteho nesouladu mezi produkciacute elektrickeacute energie větrnyacutemi elektraacuternami a odběrem vodiacutekuNaacutevrh autonomniacute soustavy produkce vodiacuteku elektrolyacutezou vody kde potřebnaacute elektrickaacute energie je zabezpečena větrnyacutemi elektraacuternami resp z jinyacutech obnovitelnyacutech zdrojů

2

Seznam odborneacute literaturySA Sherif F Barbir TN Veziroglu Wind energy and the hydrogen economymdashreview of the technology Elsevier2005Detlef Stolten Dennis Krieg Michael Weber An Overview on Water ElectrolysisInstitute for Fuel Cells Juelich Research Center Germany WICaC 2010Richard Bourgeois PEAdvanced Alkaline ElectrolysisGE Global Research Center 2006

Vedouciacute diplomoveacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

Termiacuten odevzdaacuteniacute diplomoveacute praacutece je stanoven časovyacutem plaacutenem akademickeacuteho roku 20122013

V Brně dne 15112012

LS

_______________________________ _______________________________ prof Ing Petr Stehliacutek CSc prof RNDr Miroslav DoupovecCSc Ředitel uacutestavu dr h c Děkan fakulty

3

Abstrakt

Vyacuteroba vodiacuteku je technicky a ekonomicky vhodnaacute metoda uklaacutedaacuteniacute přebytků energie z obnovitelnyacutech zdrojů energie přestože tato technologie ještě neniacute dostatečně vyspělaacute v porovnaacuteniacute s ostatniacutemi možnostmi využitiacute obnovitelneacute energie V teacuteto praacuteci jsou spojeny dvě větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 330 kW spojeneacute s elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro toto spojeniacute by mělo zajistit lepšiacute využitiacute energie vyrobeneacute větrem Praacutece zkoumaacute dvě možnosti a to využitiacute vodiacuteku pro produkci el energie pomociacute palivovyacutech člaacutenků a využitiacute vodiacuteku jako alternativniacuteho paliva pro auta Tato praacutece představuje všeobecnyacute uacutevod do problematiky systeacutemu větrneacute elektraacuterny spojeneacute s vyacuterobou vodiacuteku Budouciacute studie by měly byacutet viacutece komplexniacute a detailniacute předevšiacutem je potřeba ziacuteskat dlouhodobaacute a přesnaacute data na zaacutekladě kteryacutech se daacute s většiacute přesnostiacute určit možnosti reaacutelneacuteho využitiacute tohoto systeacutemu a ukaacutezat možnosti využitiacute větrneacute energie v kontinuaacutelně se měniacuteciacutech energetickyacutech požadavciacutech lidstva

Kliacutečovaacute slova

vodiacutek větrnaacute energie větrneacute turbiacuteny lokaacutelniacute větrneacute podmiacutenky elektrolyacuteza elektrolyzeacuter uacutečinnost elektrolyacutezy spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku skladovaacuteniacute vodiacuteku hydridy kovů palivoveacute člaacutenky systeacutem palivovyacutech člaacutenků Mošnov Noveacute Dvorce Weibullova funkce kapacitniacute faktor vyacutekonovaacute charakteristika

Abstract

Hydrogen as a form of storage for the excess energy from renewable sources is a technically and economically viable option However the technology is not mature enough to compete with the other renewable energy possibilities In this thesis a study based on coupling two 330 kW wind-turbines with an NELP 40 electrolyzer this connection should improve the utilization of wind power In this thesis are two options of energy utilization The energy produced by the wind-turbine is stored in the form of hydrogen and is then delivered for consumption at variable power through a fuel cell second option is use of produced hydrogen as alternative fuel for cars This study is a general introduction for the wind energy system with hydrogen storage Future studies should be more complex and detailed in order to understand and model the system with greater accuracy and to increase the possibility for the utilization of wind energy to generate hydrogen This would enhance wind power competitiveness and sustain the continuously changing world energy demands

Key words

hydrogen wind energy wind turbines local wind conditions electrolysis electrolyzer efficiency of electrolysis consumption of electrolytic cell hydrogen storage metal hydrides fuel cells system of fuel cells Mošnov Noveacute Dvorce Weibull function capacity factor power curve

4

Bibliografickaacute citace

Lakva P Vyacuteroba vodiacuteku z obnovitelneacuteho zdroje energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2013 85 s Vedouciacute diplomoveacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

5

Čestneacute prohlaacutešeniacute

Prohlašuji že jsem byl seznaacutemen s předpisy pro vypracovaacuteniacute diplomoveacute praacutece a že jsem tuto praacuteci vypracoval samostatně a zaacuteroveň uvedl všechny použiteacute informačniacute zdroje

V Brně dne 20 5 2013 Petr Lakva

6

Poděkovaacuteniacute

Děkuji panu docentu Ing Jaroslavu Jiacutechovi CSc za poskytnuteacute konzultace a odbornou pomoc Daacutele bych chtěl poděkovat panu Ing Josefu Luťchovi CSc za přiacutenosneacute rady k tomuto projektu a takeacute svyacutem rodičům za podporu během celeacuteho studia

7

Obsah

Seznam použityacutech zkratek 10

Seznam použityacutech symbolů 11

Uacutevod 12

1Větrnaacute energie 14

11Větrneacute turbiacuteny 17

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek 18

2Elektrolyacuteza 24

21Princip elektrolyacutezy 24

22Typy elektrolyacutezy 25

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů 29

24Uacutečinnost elektrolyacutezy 31

25Napětiacute člaacutenků 31

26Vliv provozniacutech podmiacutenek 32

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku 33

3Metody uskladněniacute vodiacuteku 35

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu 37

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu 40

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů 42

34Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku 45

4Palivoveacute člaacutenky 47

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků 47

42Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků 48

43Princip funkce palivovyacutech člaacutenků 49

44Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků 51

45Typy palivovyacutech člaacutenků 52

8

46Systeacutem palivovyacutech člaacutenků 63

5Instalace ve světě 66

6Přiacutepadovaacute studie 69

61Vyacuteběr lokace 69

62Větrnaacute turbiacutena 69

63Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov 70

64Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce 73

65Elektrolyzeacuter 75

66Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta 77

Zaacutevěr 82

Seznam použiteacute literatury 83

Seznam přiacuteloh 85

9

Seznam použityacutech zkratek

AFC Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

ČHMUacute Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav

HF Vodiacutekovyacute filtr

ICI Imperial chemical industries

IR Infračerveneacute zaacuteřeniacute

MEA Membraacutenoveacute uskupeniacute

MCFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů

NASA Naacuterodniacute uacuteřad pro letectviacute a kosmonautiku

NHL Niacutezkyacute horniacute limit

OF Kysliacutekovyacute filtr

PAFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute

PEM Palivovyacute člaacutenek s polymerniacute membraacutenou

PLC Programovatelnyacute logickyacute automat

SOFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů

UV Ultrafialoveacute zaacuteřeniacute

VHL Vysokyacute horniacute limit

10

Seznam použityacutech symbolů

Symbol Vyacuteznam Jednotka

c Rozměrovyacute Weibull parametr -

CFA Kapacitniacute faktor -

CFAmax Maximaacutelniacute kapacitniacute faktor -

hrf Referenčniacute vyacuteška m

k Tvarovyacute Weibull parametr -

mH Hmotnost vyrobeneacuteho vodiacuteku kg

Pav Vyacutekon v naacutevrhoveacutem bodě kW

Pnom Nominaacutelniacute vyacutekon větrneacute turbiacuteny kW

Pwt Vyacutekon jedneacute větrneacute turbiacuteny kW

Pwf Vyacutekon obou větrnyacutech turbiacuten kW

Rgh Deacutelka turbulence -

Ur Naacutevrhovaacute rychlost větru ms-1

VH Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku za rok Nm3rok

vstr Středniacute rychlost větru ms-1

VV Objem vody potřebneacute k elektrolyacuteze l

Z Nadmořskaacute vyacuteška m

σw Standardniacute odchylka ms-1

Ostatniacute zde neuvedeneacute symboly jsou systematicky vysvětlovaacuteny v textu diplomoveacute praacutece

11

Uacutevod

Plneacute vyacutehody využitiacute vodiacuteku jako udržitelneacuteho zdroje paliva mohou byacutet dosaženy pouze v přiacutepadě že vodiacutek je produkovaacuten z obnovitelnyacutech zdrojů energie Využitiacute větrneacute a solaacuterniacute energie zaznamenalo v posledniacutech letech velkyacute pokrok Tento pokrok znamenaacute sniacuteženiacute ceny energie vyrobeneacute z těchto zdrojů Velmi často jsou takoveacute zdroje energie široce dostupneacute pokud napřiacuteklad bereme v uacutevahu Evropu jako celek v samotneacute Českeacute republice jsou možnosti využitiacute větru a slunečniacute energie relativně maleacute vzhledem k celkoveacute energetickeacute poptaacutevce na našem trhu Obnovitelneacute zdroje energie se mohou uplatnit v odlehlyacutech oblastech nebo v oblastech kde neniacute dostatečně vybudovaacutena elektrickaacute siacuteť a pokryacutet lokaacutelniacute energetickeacute požadavky Provoz solaacuterniacutech a větrnyacutech systeacutemů vysoce zaacutevisiacute na meteorologickyacutech podmiacutenkaacutech a tiacutem paacutedem je produkce elektřiny proměnnaacute v čase a často nereflektuje energetickeacute požadavky Řešeniacute tohoto probleacutemu je uloženiacute energie Energie se nejčastěji uklaacutedaacute pomociacute bateriiacute Baterie rychle ztraacuteciacute uloženou energii a mohou byacutet použity pouze v relativně kraacutetkeacutem časoveacutem uacuteseku Baterie majiacute takeacute limitovanou životnost Lepšiacute možnostiacute uloženiacute energie se jeviacute využitiacute vodiacutek jako nositele energie Molekulaacuterniacute vodiacutek v přiacuterodě neexistuje musiacute byacutet ziacuteskaacuten jinyacutemi způsoby Jedinaacute skutečně vyspělaacute technologie ziacuteskaacutevaacuteniacute vodiacuteku z obnovitelnyacutech zdrojů energie je elektrolyacuteza vody při ktereacute je molekula vody rozdělena na kysliacutek a vodiacutek použitiacutem elektrickeacute energie Elektrolyzeacutery jsou založeny na alkalickyacutech elektrolytech nebo protonoveacute membraacuteně kde je použit materiaacutel Nafion jako elektrolyt Stejnyacute materiaacutel je použit jako elektrolyt i v PEM palivovyacutech člaacutenciacutech Systeacutem elektrolyacutezy vody se sklaacutedaacute z elektrolytickyacutech člaacutenků nebo modulů fluidniacuteho subsysteacutemu dodaacutevajiacuteciacuteho vodu do člaacutenku a odvaacutedějiacuteciacuteho plyny ze člaacutenku a elektrickeacuteho subsysteacutemu Hlavniacutemi komponenty vodniacute elektrolyacutezy katoda anoda a separaacutetor Anoda a katoda musiacute byacutet odolneacute korozi a musiacute byacutet dobryacutemi elektrickyacutemi vodiči Kapacita produkce vodiacuteku pomociacute elektrolyacutezy se může pohybovat řaacutedově od několika cm3min až do tisiacuteců m3h Uacutečinnost procesu se řaacutedově pohybuje kolem 70 Proces elektrolyacutezy požaduje vysokou energetickou hustotu takže proce může byacutet velice drahyacute Vyacuteroba levneacuteho vodiacuteku může byacutet dosažena použitiacutem mimo-špičkoveacute elektrickeacute energie kdy je přebytek energie ze solaacuterniacutech panelů nebo větrneacute elektraacuterny použit pro proces elektrolyacutezy Vodiacutek je nejčastěji uložen ve formě stlačeneacuteho plynu v tlakovyacutech naacutedobaacutech ale existujiacute i dalšiacute možnosti uloženiacute vyrobeneacuteho vodiacuteku (v kapalneacutem stavu v pevnyacutech hydridech kovu a nebo v kapalnyacutech nosičiacutech např metanolu) V obdobiacute elektrickyacutech špiček ale při špatnyacutech povětrnostniacutech podmiacutenkaacutech může byacutet vodiacutek použit jako palivo do vysoce efektivniacutech palivovyacutech člaacutenků k uspokojeniacute elektrickeacute poptaacutevky Vodiacutek vyprodukovanyacute větrnou energiiacute lze použiacutet jako alternativniacute palivo do aut Hlavniacutemi průkopniacuteky použiacutevaacuteniacute vodiacuteku v automobiloveacutem průmyslu jsou značky BMW a Toyota Palivoveacute člaacutenky jsou zařiacutezeniacute produkujiacuteciacute elektrickou energii tak dlouho dokud je zajištěna dodaacutevka vodiacuteku jako paliva Člaacutenky pracujiacute na na přiacutemeacute elektrochemickeacute konverzi paliva dosahujiacute tak vysokeacute uacutečinnosti dosahujiacuteciacute 40 Systeacutemy využiacutevajiacuteciacute vodiacutek nabiacuteziacute flexibilitu v dimenzovaacuteniacute diacuteky modularitě elektrolyzeacuterů palivovyacutech člaacutenků a uskladněniacute vodiacuteku Komplikovanost systeacutemu založeneacuteho na vodiacuteku je velmi vysokaacute Pro zajištěniacute kontinuaacutelniacutech dodaacutevek je potřeba zajistit kvalitniacute management energetickyacutech toků mezi jednotlivyacutemi složkami systeacutemu

12

Provoz elektrolyzeacuteru a palivovyacutech člaacutenků v kombinaci s obnovitelnyacutemi zdroji energie přinaacutešiacute několik probleacutemu Prvniacutem probleacutemem je určeniacute velikosti elektrolyzeacuteru vzhledem k vyacutekonu větrneacute elektraacuterny nebo poli solaacuterniacutech panelů Jednou možnostiacute je navrhnout velikost elektrolyzeacuteru tak aby byl schopen přijmout veškeryacute vyacutekon vyprodukovanyacute vyacutekon nebo použiacutet elektrolyzeacuter s vyacutekonem nižšiacutem než je maximum zdroje V prvniacutem přiacutepadě bude elektrolyzeacuter pracovat se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem jako zdroj Toto řešeniacute je ovšem cenově meacuteně konkurenceschopneacute Druhaacute instalace je ekonomicky vyacutehodnějšiacute jelikož elektrolyzeacuter pracuje při vyššiacute kapacitě ale čaacutest elektrickeacute energie musiacute byacutet využito jinyacutem způsobem než pro vyacuterobu vodiacuteku Provoz elektrolyzeacuteru v kombinaci s obnovitelnyacutem zdrojem energie maacute několik probleacutemů ktereacute je potřeba řešit Obnovitelneacute zdroje jsou velmi nestaacuteleacute zdroje energie takto produkovaacutena může značně koliacutesat hodinu od hodiny den od dne obdobiacute od obdobiacute nebo rok od roku Proměnnyacute přiacutekon může způsobit probleacutemy s termoregulaciacute elektrolyzeacuteru Spraacutevnyacute provoz elektrolyzeacuteru zaacutevisiacute na předpoviacutedatelnyacutech pracovniacutech teplotaacutech Elektrolyzeacutery potřebujiacute určitou dobu na zahřaacutetiacute a provoz pod nominaacutelniacutem přiacutekonem může způsobit nižšiacute provozniacute teploty ktereacute majiacute za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti Komprese vodiacuteku se provaacutediacute piacutestovyacutemi a odstředivyacutemi kompresory Spotřeba kompresoru zaacutevisiacute na tlakoveacutem poměru proto je potřeba uvažovat o tlakovyacutech elektrolyzeacuterech ktereacute mohou sniacutežit celkovou spotřebu energie systeacutemu Sniacuteženiacute spotřeby je důsledkem odstraněniacutem elektrickeacute energie potřebneacute pro mechanickou kompresi Při elektrolyacuteze vznikaacute kromě vodiacuteku takeacute kysliacutek Kysliacutek je převaacutežně vypouštěn ze systeacutemu může byacutet použit při provozu palivoveacuteho člaacutenku zlepšuje totiž jeho vyacutekon Cena kysliacuteku je asi 4x menšiacute než cena vodiacuteku takže je potřeba zvaacutežit zda se vyplatiacute kysliacutek uklaacutedat při dalšiacutech naacutekladech Produkce vodiacuteku požaduje dostatečneacute množstviacute čisteacute vody Nečistoty obsaženeacute ve vodě mohou vyacuteznamně ovlivnit životnosti elektrolytickyacutech člaacutenků Voda je obvykle čištěna přiacutemo na miacutestě instalace čištěniacute vody může byacutet dalšiacutem naacutekladem při produkci vodiacuteku Při provozu elektrolyzeacuteru nastaacutevaacute kraacutetkodobeacute zvyšovaacuteniacute napětiacute způsobeneacute ustaveniacutem rovnovaacutehy obsahu vody v membraacuteně a oxidaciacute katalyzaacutetoru a dalšiacutech kovovyacutech komponentů Současneacute palivoveacute člaacutenky majiacute relativně kraacutetkou životnost kvůli degradaci membraacuteny Životnost elektrolyzeacuteru a palivoveacuteho člaacutenku je potřeba zohlednit při naacutevrhu systeacutemu Dalšiacutem velmi důležityacutem probleacutemem tyacutekajiacuteciacutem se vodiacuteku je bezpečnost Nespraacutevneacute zachaacutezeniacute a skladovaacuteniacute může způsobit určiteacute nebezpečiacute protože vodiacutek maacute niacutezkou teplotu vzniacuteceniacute a je velmi hořlavyacute Plamen hořiacuteciacuteho vodiacuteku je teacuteměř neviditelnyacute lehce tak může způsobit zraněniacute jelikož je těžce pozorovatelnyacute Vodiacutek je těkavyacute a neniacute toxickyacute Naacuteležitaacute ochrana a spraacutevneacute použitiacute systeacutemů využiacutevajiacuteciacute vodiacutek by mělo zaručit bezpečnost a spraacutevnou funkci

13

1Větrnaacute energie

Větrnaacute energie je energie pohybujiacuteciacute se vzduchoveacute masy Pohyb vzduchoveacute masy je způsoben rozdiacutelem teplot v atmosfeacuteře Slunečniacute zaacuteřeniacute ohřiacutevaacute vzduch kteryacute naacutesledně stoupaacute do vyššiacutech pater atmosfeacutery Tento pohyb vzduchu maacute za naacutesledek vytvořeniacute zoacuten nižšiacuteho tlaku vzduchu Tok vzduchu tzn viacutetr tyto tlakoveacute diference vyrovnaacutevaacute Větrnaacute energie je slunečniacute energie přeměněnaacute na kinetickou energii pohybujiacuteciacuteho se vzduchu Větrnaacute energie je globaacutelně nejrychleji rostouciacute sektor vyacuteroby energie z obnovitelnyacutech zdrojů Instalovanyacute vyacutekon v zemiacutech Evropskeacute unie dosaacutehl v roce 2012 100 GW polovina teacuteto kapacity byla instalovanaacute v posledniacutech 6 letech Obraacutezek 1 ukazuje vyacutevoj instalovaneacuteho vyacutekonu

Obr 1 Instalovanyacute vyacutekon větrnyacutech elektraacuteren v EU [14]

Větrneacute elektraacuterny tohoto vyacutekonu jsou schopny pokryacutet potřebu elektrickeacute energie pro 57 milioacutenů domaacutecnostiacute Ekvivalentniacute vyacutekon v uhelnyacutech elektraacuternaacutech by byl dosažen po spaacuteleniacute 72 milioacutenů tun uhliacute což představuje cca 750 000 vagoacutenůI přes tento rozvoj pouze vybraneacute lokality majiacute charakteristiky rychlosti a staacutelosti větru vhodneacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Hraniciacute ekonomickeacute naacutevratnosti investice je pro větrneacute elektraacuterny umiacutestěneacute ve vnitrozemiacute hodnota průměrneacute rychlosti větru 6 ms pro elektraacuterny umiacutestěneacute na moři je tato hodnota 7 ms vyššiacute hodnota je způsobena zejmeacutena zvyacutešenyacutemi investičniacutemi naacuteklady na instalaci tzv off-shore elektraacuteren Prvotniacutem krokem vybraacuteniacute vhodneacute lokality pro instalaci větrneacute elektraacuterny je průzkum satelitniacutech dat o průměrneacute rychlosti větru Zdrojem těchto dat je velkeacute množstviacute instituciacute na obr 2 je mapa vytvořena společnostiacute NASA přesněji satelitem GEOS-1 kteraacute zobrazuje ročniacute průměrnou rychlost ve vyacutešce 50 m Pro českeacute investory budou nejzajiacutemavějšiacute informace ČHMUacute kteryacute je schopen za poplatek dodat informace o směru a rychlosti větru v Českeacute republice Data jsou ovšem nepřiacutemaacute naměřeneacute hodnoty z meteorologickyacute stanic jsou aproximovanaacute pomociacute

0

25

50

75

100

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011

Vyacuteko

n [G

W]

Rok

14

matematickyacutech modelů Tyto mapoveacute podklady sloužiacute k přibližneacutemu určeniacute vhodneacute lokality Konečneacute rozhodnutiacute o instalaci by mělo byacutet založeno na dlouhodobeacutem měřeniacute na konkreacutetniacutem miacutestě plaacutenovaneacute vyacutestavby větrneacute elektraacuterny

Obr 2 Průměrnaacute rychlost větru ve vyacutešce 50 m [15]

Miacutesta s největšiacutem potenciaacutelem pro využitiacute větrneacute energie jsou nad oceaacuteny naopak miacutesta s jednou z nejhoršiacutech využitelnostiacute větrneacute energie jsou centraacutelniacute regiony velkyacutech světadiacutelů Nejvhodnějšiacute lokality pro využiacutevaacuteniacute větrneacute energie jsou pobřežniacute regiony Pobřežniacute regiony jsou znaacutemeacute silnyacutem větrem a velkyacutem poměrem světoveacute populace tzn odběratelů elektrickeacute energie Větrnaacute energie trpiacute stejnyacutem neduhem jako většina zdrojů obnovitelneacute energie a to nestaacutelostiacute a značnyacutemi sezoacutenniacutemi rozdiacutely Je velmi složiteacute přesně předpovědět energetickyacute vyacutestup z větrnyacutech zdrojů Rozvodnaacute siacuteť je schopna tyto sezonniacute vyacutekyvy absorbovat ale pouze v přiacutepadě že větrnaacute energie tvořiacute meacuteně než 20 celkoveacute kapacity siacutetě Diacuteky nestaacutelosti větrneacute energie větrneacute turbiacuteny pracujiacute s niacutezkyacutem kapacitniacutem faktorem Podiacutel větrneacute energie může byacutet vyacuterazně zvyacutešen použitiacutem skladovaciacutech technologiiacute Skladovaciacutech technologiiacute je celaacute řada pro svou praacuteci jsem si vybral jako nejslibnějšiacute technologii použitiacute vodiacuteku jako energetickeacuteho nositele Využitiacute vodiacuteku k vyacuterobě elektřiny je kontrolovatelneacute a dokaacuteže pokryacutet energetickeacute vyacutekyvy v době kdy větrneacute elektraacuterny do siacutetě elektrickou energii nedodaacutevajiacute Pro zajištěniacute spolehlivosti energetickeacuteho zdroje a optimalizaci naacutekladů na instalaci je potřeba najiacutet vhodnyacute vztah mezi jmenovityacutem vyacutekonem větrneacute elektraacuterny a vyacutekonem vodiacutekoveacuteho systeacutemu Vzdušneacute prouděniacute je proměnneacute nejenom v kraacutetkeacutem časoveacutem horizontu ale zaacuteroveň se měniacute i v raacutemci ročniacuteho obdobiacute Tato proměnnost značně ovlivňuje vyacutekonnost celeacuteho systeacutemu Větrnaacute energie se měniacute takeacute teacuteměř z hodiny na hodinu proto je potřeba vytvořit strategii pro pracovniacute režimy elektrolyzeacuteru tak aby nedochaacutezelo k časteacutemu vypiacutenaacuteniacute a zapiacutenaacuteniacute systeacutemu v zaacutevislosti na variaci větrneacute energie Přesnaacute předpověď vyacutevoje rychlosti větru zahrnuta do plaacutenovaciacutech a provozniacutech naacutestrojů systeacutemu může systeacutem značně vylepšit

15

Vyacuteroba vodiacuteku pomociacute větrneacute energie se děje pomociacute elektrolyacutezy vody tento vyacuterobniacute postup je vysvětlen v kapitole ldquoelektrolyacutezardquo Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutem rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute Pomocnaacute energie je dodaacutevanaacute ze stabilniacuteho regulovatelneacuteho zdroje V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Kombinace zdroje jako je větrnaacute elektraacuterna s elektrolyzeacutery může miacutet za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti kvůli ztraacutetaacutem způsobenyacutech konverziacute elektrickeacute energie ze stejnosměrneacute na střiacutedavou a naopak Jak usměrňovače tak invertory spotřebujiacute čaacutest energie Tyto zařiacutezeniacute mohou v ideaacutelniacutech podmiacutenkaacutech pracovat s uacutečinnostiacute kolem 93 - 95 bohužel velmi proměnou energii ziacuteskaacutevanou s větru nemůžeme považovat za ideaacutelniacute podmiacutenky tomu odpoviacutedaacute i znatelně menšiacute uacutečinnost Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute

16

11Větrneacute turbiacuteny

111Technologie

Nejčastěji použiacutevanaacute větrnaacute turbiacutena je tzv vztlakovyacute třiacutelistyacute rotor s vodorovnou osou otaacutečeniacute Pracuje na principu leteckeacute vrtule kdy viacutetr obteacutekaacute lopatky Lopatkyjsou asymetricky tvarovaacuteny proto na každeacute straně lopatky maacute obteacutekajiacuteciacute vzduch jinou

Obr 3 Zjednodušeneacute scheacutema větrneacute elektraacuterny [14]

rychlost to vytvaacuteřiacute tlakovou diferenci ktereacute maacute v konečneacutem důsledku za naacutesledek vytvořeniacute vztlakovyacutech sil ktereacute rotor roztaacutečiacute Hnaciacute uacutestrojiacute je obvykle tvořeno niacutezko-rychlostniacute hřiacutedeliacute kteraacute připojuje rotor k převodovce Převodovka je 2 až 3 stupňovaacute tzv rychlost zvyšujiacuteciacute Převodovka je připojena vysoko-rychlostniacute hřiacutedeliacute ke generaacutetoru Generaacutetory jsou typicky asynchronniacute indukčniacute a pracujiacute v rozmeziacute 550 - 690 V Některeacute turbiacuteny mohou byacutet vybaveny přiacutedavnyacutem generaacutetorem zlepšujiacuteciacutem produkci při niacutezkeacute rychlosti větru Přiacutedavnyacute generaacutetor může byacutet oddělenyacute nebo integrovanyacute v hlavniacutem generaacutetoru Součaacutestiacute větrnyacutech turbiacuten je i transformaacutetor kteryacute pomociacute elektromagnetickeacute indukce zvyšuje napětiacute proudu vznikajiacuteciacuteho ve větrneacute elektraacuterně Sběrnyacute systeacutem na miacutestě větrneacute elektraacuterny obvykle operuje se středniacutem napětiacute cca 25 - 35 kV Obraacutezek 3 zobrazuje zaacutekladniacute čaacutesti typickeacute větrneacute elektraacuterny Typickaacute větrnaacute elektraacuterna je vybavena regulačniacutem systeacutemem naklaacutepěniacute Pomociacute tohoto zařiacutezeniacute jsou uacutehly naacuteběhu listu rotoru staacutele regulovaacuteny tak aby byl rotor optimaacutelně přizpůsoben aktuaacutelniacutem větrnyacutem podmiacutenkaacutem Při vyššiacutech rychlostech větru regulačniacute systeacutemy zajišťujiacute aby vyacutekon elektraacuterny byl co možnaacute nejbliacuteže jmenoviteacuteho vyacutekonu Při nižšiacutech rychlostech optimalizujiacute předaacutevaacuteniacute vyacutekonu nastaveniacutem optimaacutelniacuteho počtu otaacuteček a optimaacutelniacuteho uacutehlu nastaveniacute rotorů Veškereacute funkce elektraacuterny jsou kontrolovaacuteny a řiacutezeny řiacutediacuteciacute jednotkou kteraacute je umiacutestěna

17

většinou ve věži Změny uacutehlu nastaveniacute listů rotoru jsou aktivovaacuteny pomociacute mžikoveacuteho ramene hydraulickyacutem systeacutemem kteryacute umožňuje listům rotovat axiaacutelně Elektricky pohaacuteněneacute převody se starajiacute o nataacutečeniacute celeacute gondoly ve směru větru Pohyb je uskutečňovaacuten pomociacute pastorku v gondole zasahujiacuteciacuteho do zubů otočneacuteho věnce kteryacute je upevněn na vrchniacute čaacutesti věže [2] Ložiskovyacute systeacutem směrovaacuteniacute větru je systeacutem kluzneacuteho ložiska se zabudovanou frikčniacute a blokujiacuteciacute funkciacute Listy rotoru jsou vyrobeny z epoxidoveacute pryskyřice vyztuženeacute skelnyacutem vlaacuteknem Každyacute list rotoru se sklaacutedaacute ze dvou polovin ktereacute jsou spojeny s nosnou traverzou Zvlaacuteštniacute oceloveacute vložky k ukotveniacute spojujiacute listy rotoru s ložiskem Brzděniacute rotoru probiacutehaacute pomociacute nastaveniacute listů Parkovaciacute brzda se nachaacuteziacute na vysokorychlostniacutem hřiacutedeli Gondola chraacuteniacute vnitřniacute komponenty elektraacuterny před povětrnostniacutemi podmiacutenkami a zviacuteřectvem Gondola je nejčastěji vyrobena z plastu[1]

Obr 4 Vztah rychlosti větru a vyacutekonu větrneacute elektraacuterny [8]

Jak je ukaacutezaacuteno na obraacutezku 4 vyacutekon větrneacute elektraacuterny je funkciacute rychlosti větru Vztah mezi vyacutekonem a rychlostiacute větru je definovaacuten pomociacute tzv vyacutekonoveacute charakteristiky kteraacute je unikaacutetniacute pro každou turbiacutenu v některyacutech přiacutepadech se může lišit i v zaacutevislosti na umiacutestěniacute elektraacuterny Pokud se budeme snažit generalizovat tak většina elektraacuteren začiacutenaacute produkovat vyacutekon při rychlosti větru okolo 2 ms jmenoviteacuteho vyacutekonu dosaacutehne okolo 13 ms a k odstaveniacute kolem 25 mskdy je nebezpečiacute poškozeniacute mechanickyacutech čaacutestiacute elektraacuterny a proto dojdek zabrzděniacute rotoru Proměnnost větru maacute za naacutesledek neustaacutelou změnu vyacutekonu Větrnaacute elektraacuterna umiacutestěna v lokaci s dobrou charakteristikou větru je schopna v ročniacutem průměru produkovat maximaacutelně 35 sveacute možneacute kapacity

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek

121Všeobecně

Vzhledem k tomu že větrneacute podmiacutenky jsou specifickeacute pro danou lokalitu a jsou vyacuterazně ovlivněny topologiiacute tereacutenu i překaacutežkami v okoliacute instalovaneacute větrneacute elektraacuterny je nutneacute ziacuteskat co nejpřesnějšiacute kvantitativniacute popis těchto podmiacutenek Elektrickeacute energie produkovanaacute danou větrnou elektraacuternou se vyacuterazně měniacute s odchylkami rychlosti větru od jejiacute středniacute hodnoty Jestliže 50 časoveacuteho uacuteseku

18

je rychlost větru 12 ms a 50 je rychlost 0 ms větrnaacute elektraacuterna vyrobiacute podstatně viacutece energie energie než když 100 tohoto času je rychlost větru 6 ms [3] Tato skutečnost vyplyacutevaacute ze zaacutevislosti vyacutekonu větrneacute elektraacuterny na třetiacute mocnině rychlosti větru [4] Pro vyhodnoceniacute očekaacutevaneacute produkce elektrickeacute energie v daneacute lokalitě je nutnaacute znalost distribuce rychlosti větru

122Počiacutetačoveacute modelovaacuteniacute

V širšiacutem měřiacutetku je možno modelovat průběh rychlosti větru počiacutetačovyacutem modelovaacuteniacutem Speciaacutelniacute vyacutepočetniacute algoritmy dokaacutežiacute popsat vliv různyacutech parametrů na rychlost větru jako je nadmořskaacute vyacuteška topografie a povrch tereacutenu Tyto modely musiacute použiacutevat vstupniacute data o charakteru větru ze znaacutemeacute lokace Roli těchto znaacutemyacutech lokaciacute zastupujiacute předevšiacutem meteorologickeacute stanice ktereacute nabiacuteziacute přesneacute měřeniacute směru a rychlosti větru pro daneacute miacutesto

Obr 5 Průměrnaacute rychlost větru v 10 m [16]

Tyto viacutetr mapujiacuteciacute programy dle znaacutemyacutech hodnot odvodiacute hodnoty rychlostiacute větru pro specifickou vyacutešku a miacutesto na zaacutekladě těchto hodnot se vytvaacuteřiacute tzv atlas větru Atlasy větru jsou vydaacutevaacuteny ve velkeacute množstviacute měřiacutetek od globaacutelniacutech map po mapy lokaacutelniacute U naacutes je zdrojem těchto map předevšiacutem ČHMUacute kteryacute tyto mapy poskytuje potencionaacutelniacutem investorům za uacuteplatu Větrneacute mapy reprezentujiacute nejlepšiacute

19

odhad větrnyacutech zdrojů na velkeacutem uacutezemiacute Nemohou však zastoupit měřeniacute větru přiacutemo na miacutestě anemometrem Sloužiacute k vybraacuteniacute lokality s větrnyacutem potenciaacutelem Dalšiacute vyhodnoceniacute vyacutenosnosti větrneacute elektraacuterny probiacutehaacute již na samotneacutem miacutestě budouciacute instalace a to vyhodnoceniacutem lokaacutelniacutech podmiacutenek ovlivňujiacuteciacutech rychlost prouděniacute větru

123Měřeniacute v miacutestě umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny

Měřeniacute rychlosti se provaacutediacute anemometrem umiacutestěnyacutem v předpoklaacutedaneacute vyacutešce rotoru aby byly vyacutesledky co možnaacute nejviacutece reprezentativniacute Samotneacute měřeniacute se obvykle provaacutediacute v průběhu jednoho roku Tato informace se uvaacutediacute nejčastěji formou sloupcoveacuteho diagramu např obr 6 kteryacute udaacutevaacute procentuaacutelniacute vyacuteskyt rychlosti větru

Obr 6 Četnost vyacuteskytu rychlostiacute větru proloženyacutech funkciacute Weibull

ve třiacutedaacutech o šiacuteřce 1 ms Ze sloupcoveacuteho grafu se vyhodnocuje středniacute rychlost větru zpravidla během jednoho roku většinou tzv Weibullovyacutem rozděleniacutem (fialovaacute křivka na obraacutezku 6) Středniacute rychlost je daacutele použiacutevaacutena při vyacutepočtech vyacutekonu Weibullova funkce je pravděpodobnostniacute dvouparametrovaacute funkce kteraacute maacute tvar

p(v) = kA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ sdot

vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdoteminus vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

kde p(v) pravděpodobnost vyacuteskytu rychlosti v v rychlost větru [ms] k tvarovyacute parametr [-] A parametr měřiacutetka [ms]

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Čet

nost

vyacutes

kytu

[]

Rychlost větru [ms]

20

Rychlost větru je nejnižšiacute na zemskeacutem povrchu a zvyšuje se se stoupajiacuteciacute vyacuteškou tento jev je spojen s vyacuteskytem mezniacute vrstvy při povrchu Vyacutekon větrneacute elektraacuterny je

Obr 7 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

v podstatě uacuteměrnyacute třetiacute mocnině středniacute rychlosti větru Hlavniacute snahou je tedy umiacutestit rotor co možnaacute nejvyacuteše Tento jev je ilustrovaacuten uvedenyacutem vertikaacutelniacutem rychlostniacutem profilem na obraacutezku 7 Z uvedeneacuteho grafu je patrneacute zvyacutešeniacute rychlosti až do vyacutešky 40 - 50 m Kvantitativně tento jev shrnuje obecnaacute tabulka 1 v přiacutepadě je uvažovaacuten nominaacutelniacute vyacutekon při vyacutešce osy rotoru 10 m potom je růst vyacutekonu s rostouciacute vyacuteškou naacutesledujiacuteciacute

Vyacuteška osy rotoru

Zvyacutešeniacute vyacutekonu

10 m 0

19 m 41

27 m 75

36 m 100

46 m 125

Tab 1 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vyacutešk

a [m

]

Rychlost větru[ms]

21

124 Miacutestniacute faktory ovlivňujiacuteciacute rychlost větru

Rychlost větrneacuteho prouděniacute neovlivňujiacute pouze globaacutelniacute faktory jako je topografie geografickeacute umiacutestěniacute a dalšiacute faktory širšiacuteho charakteru Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru se měniacute takeacute s drsnostiacute povrchu turbulenciacute za překaacutežkami Zvyacutešenaacute drsnost povrchu v protisměru převlaacutedajiacuteciacuteho větru může zvyacutešit jeho rychlost v ose rotoru s naacuteslednyacutem zvyacutešeniacutem vyacutekonu [2] Pro kvantitativniacute vyhodnoceniacute vlivu drsnosti povrchu na rychlost větru se použiacutevaacute vztah mezi vyacuteškami osy rotoru a odpoviacutedajiacuteciacutemi rychlostmi větru a vypadaacute takto

kde v rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce osy rotoru h vref rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce rotoru href α exponent jehož hodnota vyjadřuje charakter drsnosti

Pro danou lokalitu je potřebneacute naleacutezt hodnotu exponentu α z vyacutesledků měřeniacute rychlosti větru Typickeacute obecneacute hodnoty exponentů pro větrnou elektraacuternu s referenčniacute vyacuteškou 35 m jsou v tabulce 2

Drsnost povrchu α [ - ]

Faktor zvyacutešeniacute [ - ]

Velmi niacutezkaacute (klidnaacute hladina moře)

010 145

Niacutezkaacute (louky pole)

016 182

Průměrnaacute (les křoviny)

020 212

Vyššiacute (vesnice roztroušeneacute domy)

028 286

Vysokaacute (město s vysokyacutemi budovami)

040 450

Tab 2 Hodnoty exponentu α [4]

Dalšiacutem důležityacutem faktorem ovlivňujiacuteciacutem rychlost větru a chod větrneacute elektraacuterny je turbulence Turbulence je charakterizovanaacute rychlyacutemi změnami rychlosti větru a je měřena standardniacute odchylkou σ od středniacute hodnoty okamžiteacute rychlosti větru zaznamenanyacutech každeacute 2 sekundy po dobu 10 minut Intenzita turbulence je definovanaacute ke středniacute hodnotě rychlosti větru vstr je často definovanaacute jako

v = vref sdothhref

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

α

22

Intenzitu turbulence v miacutestě zamyacutešleneacute instalace větrneacute elektraacuterny je potřebneacute porovnat se standarty mezinaacuterodniacute elektrotechnickeacute komise IEC Tyto standarty pomaacutehajiacute při určeniacute zda turbulence v daneacutem miacutestě nejsou mimo předepsaneacute limity Pokud hodnoty intenzity turbulenciacute přesahujiacute limity způsobily by zkraacuteceniacute životnosti větrneacute elektraacuterny hlavně vlivem uacutenavy konstrukčniacutech materiaacutelů IEC standarty použiacutevajiacute 2 hodnoty

vysokyacute horniacute limit VHL = 012middotvstr+095 niacutezkyacute horniacute limit NHL = 012middotvstr+060

Je-li intenzita turbulence menšiacute než niacutezkyacute horniacute limit je lokalita vhodnaacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Pokud je intenzita většiacute než vysokyacute horniacute limit vyacutestavba neniacute vhodnaacute Turbulence děliacuteme podle druhu vzniku na mechanickou termickou a dynamickou Mechanickaacute turbulence vznikaacute třeniacutem proudiacuteciacuteho vzduchu o nerovnyacute zemskyacute povrch Intenzita mechanickeacute turbulence je zaacutevislaacute na členitosti tereacutenu (stromy les budovy) a na rychlosti větru Zvlaacuteštniacutem druhem mechanickeacute turbulence je turbulence orografickaacute Orografickaacute turbulence vznikaacute důsledkem prouděniacute vzduchu přes horskeacute překaacutežky Tato turbulence vznikaacute i při stabilniacutem zvrstveniacute vzduchu v důsledku vyacuterazneacute deformace vzdušneacuteho proudu V zaacutevětřiacute horskyacutech hřebenů vznikajiacute vertikaacutelniacute pohyby o rychlosti plusmn 10 ms Jeseniacuteky jsou u pilotů kluzaacuteku vyhledaacutevaacuteny praacutevě kvůli časteacutemu vyacuteskytu orografickeacute turbulence kteraacute jim dovoluje provaacutedět přelety v řaacutedech stovek kilometrů Termickaacute turbulence vznikaacute v důsledku labilniacuteho zvrstveniacute atmosfeacutery při prouděniacute studeneacuteho vzduchu nad teplejšiacute povrch nebo v důsledku nerovnoměrneacuteho ohřevu zemskeacuteho povrchu Dynamickaacute turbulence vznikaacute v oblastech velkeacuteho střihu větru Nejčastěji je spojena s oblastmi proudoveacuteho toku

I = σvstr

23

2Elektrolyacuteza

Viacutece než 400 průmyslovyacutech vodniacutech elektrolyzeacuterů bylo v provozu na začaacutetku devatenaacutecteacuteho stoletiacute V roce 1939 byla vybudovaacutena prvniacute velkaacute tovaacuterna v Lonze využiacutevajiacuteciacute vodniacute elektrolyacutezu kteraacute produkovala 10000 Nm3 H2 hod Převaacutežnaacute většina světově produkovaneacuteho vodiacuteku je spotřebovaacutena v petrochemickeacutem průmyslu a při vyacuterobě amoniaku a methanolu Elektrolytickyacute vodiacutek je využiacutevaacuten v menšiacutech aplikaciacutech zvlaacuteště tam kde je požadovaacutena vysokaacute čistota vodiacuteku V potravinaacuteřskeacutem průmyslu je vodiacutek použiacutevaacuten pro zvyacutešeniacute stupně nasyceniacute u tuků a olejů zvyšuje tak jejich bod taacuteniacute a odolnost vůči oxidaci V elektronickeacutem průmyslu je použiacutevaacuten jako redukčniacute činidlo v epitaxaacutelniacutem růstu polysilikonu a ve vyacuterobě integrovanyacutech obvodů V jaderneacutem průmyslu vodiacutek zastupuje roli čističe kysliacuteku kdy odstraňuje kysliacutekoveacute stopy ktereacute mohou způsobit korozniacute poškozeniacute materiaacutelu Maleacute množstviacute vodiacuteku je použiacutevaacuteno takeacute ve farmaceutickeacutem sklaacuteřskeacutem a plasma průmyslu Diacuteky sveacute dobreacute tepelneacute vodivosti je použiacutevaacuten jako chladiacuteciacute meacutedium v elektrickyacutech generaacutetorech elektraacuteren Proces elektrolyacutezy je elektrochemickyacute rozpad molekuly vody na jednotliveacute složky jmenovitě vodiacutek a kysliacutek [7] Podle druhu elektrolytu použiacutevaneacuteho pro přenos elektrickeacuteho proudu v procesu děliacuteme elektrolyacutezu vody na 4 zaacutekladniacute typy Na začaacutetku 19 stoletiacute použiacutevaly prvniacute zařiacutezeniacute na elektrolyacutezu jako elektrolyt kyselinu později bylo od teacuteto metody odstoupeno převaacutežně pro probleacutemy s koroziacute Elektrolyzeacutery použiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolytickou membraacutenu jsou druhyacutem typem Použitaacute membraacutena vodiacute protony a nepropouštiacute kysliacutek Tato technologie je relativně novaacute takže v současneacute době neexistujiacute velkeacute aplikace tohoto druhu elektrolyacutezy Dalšiacutem typem elektrolyacutezy je tzv parniacute elektrolyacuteza probiacutehajiacuteciacute při vysokeacute teplotě použiacutevajiacuteciacute keramickyacute elektrolyt vodiacuteciacute kysliacutekovyacute ion tento způsob maacute potenciaacutel pro vysokou uacutečinnost v současneacute době prokaacutezanou pouze laboratorně V dnešniacute době je nejrozšiacuteřenějšiacute elektrolyacuteza použiacutevajiacuteciacute alkalickyacute elektrolyt nejčastěji hydroxid draselnyacute

21Princip elektrolyacutezy

Při vedeniacute stejnosměrneacuteho proudu mezi dvěma elektrodami ve vodě vznikaacute vodiacutek kysliacutek a teplo podle naacutesledujiacuteciacute rovnice

Čistaacute voda je ovšem špatně vodivaacute proto se musiacute byacutet přidaacuten vodivyacute elektrolyt kteryacute zajistiacute technicky akceptovatelnou uacuteroveň potřebneacuteho napětiacute Elektrickeacute napětiacute přivedeneacute na elektrody musiacute přesaacutehnout minimaacutelniacute hodnotu tak aby reakce proběhla Hodnota tohoto napětiacute je určena Gibbsovou entalpiiacute rozkladu vody a je funkciacute tlaku a teploty Za standardniacutech podmiacutenek (teplota 25 degC tlak 1 bar) je to 123 V Teoretickaacute energie potřebnaacute pro průběh elektrolyacutezy se vyjadřuje pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vyacuterazu

kde ΔH změna entalpie reakce ΔG změna Gibbsovy volneacute energie T teplota a ΔS změna entropie Změna entalpie při standardniacutech podmiacutenkaacutech je 2858 kJmol Změna Gibbsovy volneacute energie je při standardniacutech podmiacutenkaacutech 2372 kJmol To znamenaacute

H2O⎯rarr⎯ H2 +12O2

ΔH = ΔG +T sdot ΔS

24

že 2372 kJ mol z 2858 kJmol musiacute byacutet dodaacuteno elektrickyacutem proudem a zbylaacute čaacutest může byacutet dodaacutena elektrickyacutem proudem nebo teplem V reaacutelnyacutech podmiacutenkaacutech pro niacutezkoteplotniacute elektrolyacutezy je však veškeraacute potřebnaacute energie dodaacutena elektrickyacutem proudem [8] Dalšiacute termodynamickou charakteristikou elektrolyacutezy je reverzibilniacute napětiacute Vyjadřuje minimaacutelniacute elektrickyacute potenciaacutel potřebnyacute k elektrolytickeacute reakci při standardniacutech podmiacutenkaacutech se rovnaacute 123 V

kde 2 je počet elektronů potřebnyacutech k rozděleniacute molekuly vody a F je Faradayova konstanta Termoneutraacutelniacute napětiacute je napětiacute při ktereacutem by pracoval dokonale efektivniacute člaacutenek v přiacutepadě že veškereacute potřebnaacute energie je dodaacutevaacutena elektrickyacutem proudemPro standardniacute podmiacutenky se rovnaacute 148 V a je vyjaacutedřeno naacutesledujiacuteciacutem vztahem

Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem menšiacutem než je napětiacute reverzibilniacute nedojde k rozkladu molekuly vody Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem v rozmeziacute mezi reverzibilniacutem a termoneutraacutelniacutem napětiacute elektrolytickyacute proces je endotermickyacute Je potřeba dodat teplo pro rozpad molekuly vody Napětiacute většiacute než termoneutraacutelniacute napětiacute maacute za naacutesledek že proces je exotermickyacute a veškeraacute energie je dodaacutena z elektrickeacuteho proudu Přidaneacute teplo je potřeba odstranit Reversibilniacute i termoneutraacutelniacute napětiacute jsou funkcemi teploty tlaku a složeniacute elektrolytu [8] Zaacutekladniacutemi čaacutestmi člaacutenku na vodniacute elektrolyacutezu je katoda anoda a oddělovač Katoda musiacute byacutet odolnaacute korozi umiacutestěnaacute v elektrolytu s redukčniacutem potenciaacutelem Katoda musiacute byacutet dobryacute vodič a miacutet strukturaacutelniacute celistvost Elektrody jsou od sebe odděleny membraacutenou nepropouštějiacuteciacute plyny

22Typy elektrolyacutezy

221Alkalickaacute elektrolyacuteza

Alkalickaacute elektrolyacuteza je v současnosti komerčně nejpoužiacutevanějšiacute elektrolyacutezou Tři největšiacute elektrolyzeacutery byly instalovaacuteny ve 40 letech na dodaacutevky vodiacuteku do zařiacutezeniacute na vyacuterobu amoniaku a naacuteslednou vyacuterobu hnojiva Tyto elektrolyzeacutery jsou umiacutestěny v Indii (De Nora) Norsku (Norsk-Hydro) a Egyptě (Demag) Obraacutezek 8 scheacutematicky zobrazuje alkalickyacute elektrolytickyacute člaacutenek

Erev =ΔG2 sdotF

Etn =ΔH2 sdotF

25

Obr 8 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [8]

V alkalickeacutem člaacutenku probiacutehaacute naacutesledujiacuteciacute zjednodušenaacute reakce

V elektrolytu 2H2O⎯rarr⎯ 2H + + 2OH minus

Na katodě 2H + + 2eminus ⎯rarr⎯ H2

Na anodě 2OH minus ⎯rarr⎯ 1

2+ H2O + 2eminus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ H2 +O2

Alkalickaacute elektrolyacuteza probiacutehaacute při teplotě kolem 80degC a při tlaku v rozmeziacute 1 až 30 barů Pro průběh elektrolyacutezy je zapotřebiacute zajistit plynulyacute pohyb hydroxidovyacutech ionů (OH-) z katody na anodu ale zabraacutenit smiacutechaacuteniacute produkovanyacutech plynů Tyto požadavky splňuje tzv separaacutetor (membraacutena nebo clona) Separaacutetorje umiacutestěn mezi elektrody a diacuteky svyacutem charakteristickyacutem vlastnostem propouštiacute hydroxidoveacute iony zatiacutemco zabraňuje v pronikaacuteniacute jednotlivyacutech plynů Voda je obvykle přidaacutevaacutena do cirkulujiacuteciacuteho elektrolytu je to takeacute způsob jak odstranit odpadoveacute teplo z reakce a kontrolovat teplotu procesu Tradičniacute alkalickeacute elektrolyzeacutery jsou konstruovaacuteny pomociacute tzv zero gap design (naacutevrh bez mezery) kde anoda i katoda jsou umiacutestěny do bezprostředniacute bliacutezkosti separaacutetoru Umiacutestěniacute obou elektrod bliacutezko sebe maacute za naacutesledek sniacuteženiacute ohmickyacutech ztraacutet v elektrolytu Pokud se při elektrolyacuteze vytvaacuteřiacute bublinky plynů jsou transportovaacuteny do zadniacute strany elektrod skrze mezery v perforovanyacutech elektrodaacutech a tiacutem paacutedem nebudou blokovat proud ionů mezi elektrodami Vodiacutek je ziacuteskaacutevaacuten na katodaacutech jeho čistota je až 98 objemovyacutech kde jedinyacutemi nečistotami jsou kysliacutek a voda Vodiacutek může byacutet daacutele čištěn až na koncentraci teacuteměř 100 a to odstraněniacutem kysliacuteku v katalytickeacutem deoxideacuteru a vody v sušičce Těmito procedurami ovšem ztratiacuteme 5-10 celkoveacute produkce vodiacuteku Je potřeba si tuto ztraacutetu uvědomit při požadavciacutech na 100 čistyacute vodiacutek

26

Na obraacutezku 9 je zjednodušenyacute diagram průmysloveacuteho uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy Vodiacutek a kysliacutek opouštějiacute proces kde dochaacuteziacute k elektrochemickeacute disociaci vody odděleně přes naacutedoby HV a OV kde jsou odstraňovaacuteny zbytky elektrolytickeacuteho roztoku Elektrolyt a plyny jsou daacutele ochlazeny Z naacutedob pokračujiacute přes filtry HF A OF k odstraněniacute stop po elektrolytu Kysliacutek je uložen nebo spotřebovaacuten v dalšiacutech aplikaciacutech Vodiacutek může byacutet takeacute použiacutet ihned po průchodu filtry nicmeacuteně na obraacutezku 9 prochaacuteziacute dalšiacute čistiacuteciacute sekciacute Čistiacuteciacute sekce se sklaacutedaacute z deoxideacuteru kde dochaacuteziacute ke spalovaacuteniacute kysliacuteku obsaženeacuteho ve vodiacuteku na vodniacute paacuteru kteraacute je daacutele odstraněna v sušičce

Obr 9 Průmysloveacute uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy [7]

222Elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute membraacutenu

Kyseleacute roztoky nejsou v dnešniacute době přiacuteliš použiacutevaacuteny v průmysloveacute elektrolyacuteze vody ale i přesto nabiacutezejiacute alternativu k tekutyacutem alkalickyacutem elektrolytům Polymerniacute membraacuteny se vyznačujiacute velmi dobrou vodivostiacute protonů a špatnou vodivostiacute elektronů Polymerniacute membraacutena tak umožňuje tok protonů mezi elektrodami a zaacuteroveň zabraňuje stejneacutemu pohybu elektronů Elektrony musiacute použiacutet vnějšiacute obvod pro přechod mezi elektrodamiPro kyselyacute elektrolyt vypadaacute rovnice elektrolyacutezy naacutesledovně

Katoda 2H 3O + 2eminus ⎯rarr⎯ 2H2O + H2

Anoda 3H2O⎯rarr⎯ 2H 3O+ +O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

27

Obr 10 Scheacutema elektrolyacutezy s polymerniacute membraacutenou

Polymerniacute membraacutena zastupuje roli jak separaacutetoru tak elektrolytu Většina materiaacutelu membraacuten je založena na sulfonovanyacutech fluoropolymerech k vedeniacute protonů Nejznaacutemějšiacute materiaacutelem membraacuten je tzv Nafionreg kteryacute byl vyvinut společnostiacute Dupont Sulfonoveacute kyseliny jsou vysoce hydrofilniacute (přitahuje vodu) na druhou stranu fluropolymer je hydrofobniacute (odpuzuje vodu) Uvnitř hydratovanyacutech oblastiacute se H+ iony (protony) mohou relativně volně pohybovat tedy vytvaacuteřet zřeďovaneacute kyseliny H+ iony se mohou pohybovat na kraacutetkeacute vzdaacutelenosti i mimo hydratovaneacute oblasti pomociacute podporujiacuteciacutech dlouhyacutech molekulovyacutech struktur Tento pohyb je mnohem obtiacutežnějšiacute Hydratovanaacute membraacutena je tedy jeden z důležityacutech faktorů usnadňujiacuteciacute pohyb protonů a tiacutem paacutedem celkovou miacuteru elektrolyacutezy Horniacute limit teploty pro vyacuteměnu elektronů membraacutenou je okolo 125-150 degC ale většina elektrolyzeacuterů pracuje v režimu s tekutou vodou při teplotě cca 80 degC Vyššiacute pracovniacute teploty ktereacute by zlepšily kinematiku reakce můžeme dosaacutehnout diacuteky novyacutem polymerniacutem materiaacutelům nebo keramickyacutem materiaacutelům vodiacuteciacutem protony Vyššiacute teplota ovšem maacute za naacutesledek generaci většiacuteho množstviacute tepla Teplo musiacute byacutet odstraněno pomociacute cirkulace dostatečneacuteho množstviacute vody podeacutel anodoveacute elektrody člaacutenku Elektrody jsou většinou tvořeny tenkou vrstvou platinoveacuteho katalyzaacutetoru připevněneacuteho k membraacuteně Platina je považovaacutena za nejlepšiacute katalyzaacutetor jak pro anodu tak katodu diacuteky svyacutem termodynamickyacutem a kinetickyacutem vlastnostem Platina je nejnaacutekladnějšiacute čaacutesti elektrolytickyacutech člaacutenků i přes to že se množstviacute použiacutevaneacute platiny značně sniacutežilo [9] Elektrolyacuteza s pevnou membraacutenou pracuje s vyššiacute proudovou hustotou než alkalickaacute elektrolyacuteza I přes vyššiacute ceny materiaacutelů je pro ně potřebnaacute menšiacute plocha člaacutenků pro produkci stejneacuteho množstviacute vodiacuteku než pro alkalickeacute člaacutenky

28

223Parniacute elektrolyacuteza

Parniacute elektrolyacuteza probiacutehaacute za mnohem vyššiacute teploty než předešleacute typy typicky je to kolem 900-1000 degC a voda je do procesu přivaacuteděna jako paacutera Elektrolyt je vyroben z pevneacuteho keramickeacuteho materiaacutelu kteryacute vede kysliacutekoveacute iony Vysokaacute provozniacute teplota je nezbytnaacute pro keramickyacute materiaacutel aby byl dostatečně iontově vodivyacute Parniacute elektrolyzeacutery dodaacutevajiacute velkou čaacutest potřebneacute energie na elektrolyacutezu pomociacute tepla z paacutery miacutesto elektřiny [9] Principiaacutelně funguje stejně jako elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolyt Pevnyacute keramickyacute elektrolyt dovoluje kysliacutekovyacutem ionům prochaacutezet materiaacutelem od katody k anodě zatiacutemco zabraňuje pohybu elektronů ktereacute se přemisťujiacute externiacutem obvodem Keramickyacute elektrolyt takeacute zabraňuje promiacutechaacutevaacuteniacute vznikajiacuteciacutech plynů Na obraacutezku 11 je scheacutematicky zobrazen princip parniacute elektrolyacutezy

Obr 11 Princip parniacute elektrolyacutezy [9]

Zaacutekladniacute reakce probiacutehaacute v elektrodaacutech a odlišuje se od předešlyacutech způsobů elektrolyacutezy Celkovaacute reakce rozpadu vody zůstaacutevaacute nezměněna

Katoda H2O + 2eminus ⎯rarr⎯ H2 +O2minus

Anoda O2minus ⎯rarr⎯ 1

2O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

Vodniacute paacutera je je přivaacuteděna do komory u anody kde reaguje s elektrony a rozpadne se na vodiacutekoveacute a kysliacutekoveacute ionty Po přechodu k anodě kysliacutekoveacute ionty uvolňujiacute elektrony a tak vytvořiacute plynnyacute kysliacutek

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů

Za uacutečelem ziacuteskaacuteniacute požadovaneacuteho množstviacute vodiacuteku jsou elektrolyzeacutery tvořeny většiacutem počtem elektrolytickyacutech člaacutenků nebo paacuterů elektrod ktereacute mohou byacutet spojeny seacuteriově nebo paralelně Existujiacute dva druhy uspořaacutedaacuteniacute člaacutenků a to monopolaacuterniacute (naacutedržovyacute) a bipolaacuterniacute

29

V monopolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute je každaacute elektroda spojena a je napaacutejena externiacutem proudem Elektrody jsou jedno-polaacuterniacute každaacute je katoda nebo anoda Člaacutenky jsou spojeny paralelně tudiacutež napětiacute je stejneacute jak v jednotlivyacutech člaacutenciacutech tak v celeacute naacutedrži bez ohledu na celkovyacute počet člaacutenků Napětiacute je typicky kolem 12 - 2 V Tato konfigurace je jednoduchaacute robustniacute a snadnaacute na uacutedržbu Použiacutevajiacute se relativně levneacute čaacutesti a jednotliveacute buňky jsou snadno izolovatelneacute pro provedeniacute uacutedržby Ze sveacute podstaty maacute většiacute spotřebu energie diacuteky poklesu potenciaacutelu v člaacutenciacutech a je nutneacute použiacutevat vysokyacute proud pro přiměřenou produkci [9]

Obr12 Princip monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute [9]

V bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute jsou elektrody bipolaacuterniacute každaacute elektroda je na jedneacute straně anoda a na druheacute katoda s vyacutejimkou dvou koncovyacutech elektrod z nichž je jedna anoda a druhaacute katoda Buňky jsou spojeny elektricky paralelně a hydraulicky seacuteriově jak je zobrazeno na obraacutezku 13 Proud teče z jedneacute buňky do druheacute a tiacutem paacutedem je stejnyacute pro všechny buňky Celkoveacute napětiacute člaacutenku je rovno součtu napětiacute jednotlivyacutech buněk Každeacute napětiacute zaacutevisiacute na proudoveacute hustotě což je proud na jednotku plochy elektrody a na teplotu elektrolyacutezy V praxi je volt-ampeacuterovaacute charakteristika elektrolyzeacuteru unikaacutetniacute zaacutevisejiacuteciacute na aktivitě elektrody tepelneacute uacutečinnosti a dalšiacutech konstrukčniacutech charakteristikaacutech elektrolyzeacuteru [7]

Obr 13 Princip bipolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute zdroj [9]

V současneacute době neexistujiacute elektrolyzeacutery vyvinuty speciaacutelně pro použitiacute s větrnyacutemi elektraacuternami nicmeacuteně rychlaacute reakce elektrochemickeacuteho systeacutemu na změny energie je dělaacute vhodnyacutemi pro zaacutetěž vyskytujiacuteciacute se při tomto spojeniacute

30

s větrnyacutemi rotory Vyacutepadky dodaacutevek elektřiny však mohou způsobit probleacutemy s koroziacute na elektrodaacutech pokud nejsou chraacuteněny polarizačniacutem proudem v přiacutepadě vyacutepadku dodaacutevky

24Uacutečinnost elektrolyacutezy

V literatuře existuje nejednotnost vyacutekladu co vlastně uacutečinnost elektrolyacutezy je a jak se určuje Autoři zmiňujiacute uacutečinnost energetickou uacutečinnost elektrickou uacutečinnost proudovou uacutečinnost elektrochemickou uacutečinnost Daacutele takeacute zaacutevisiacute zda se jednaacute o uacutečinnost celeacuteho systeacutemu nebo jednotlivyacutech člaacutenků[9][7]Nejobecnějšiacute definice energetickeacute uacutečinnosti elektrolytickeacuteho procesu je

Energetickaacute uacutečinnost = Energetickyacute vyacutestup Celkovaacute dodanaacute energie

V přiacutepadě konvenčniacute vodniacute elektrolyacutezy je energetickyacute vstup limitovaacuten velikostiacute dodaneacute elektrickeacute energie proto je energetickaacute uacutečinnost definovaacutena poměrem energie kteraacute může byacutet obnovena reoxidaciacute vodiacuteku a kysliacuteku za vzniku vody (vyacutehřevnost vodiacuteku) a energie dodaneacute systeacutemu prostřednictviacutem elektrickeacuteho proudu

Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy = Vyacutehřevnost Celkovaacute vstupniacute elektrickaacute energie

Podle teacuteto definice může uacutečinnost přesaacutehnout hodnotu 100 jelikož nebere v uacutevahu energii dodanou do procesu teplem Toto je přiacutepad kdy elektrolyzeacuter pracuje pod termoneutraacutelniacutem napětiacutem když teplo okoliacute je použito jako energetickyacute zdroj a definice jej nebere v uacutevahu [9] Na uacuterovni člaacutenku se energetickaacute uacutečinnost elektrolyacutezy vyjadřuje jako poměr termoneutraacutelniacuteho napětiacute UTN (při standardniacutech podmiacutenkaacutech UTN = 148 V) vůči skutečneacutemu napětiacute člaacutenku U vynaacutesobeno uacutečinnostiacute proudu Uacutečinnost proudu φP je jednoduše poměr počtu elektronů teoreticky potřebnyacutech pro pro vyacuterobu daneacuteho množstviacute vodiacuteku ku skutečneacutemu počtu elektronů dodanyacutech elektrickyacutem proudem potřebnyacutech k vyacuterobě daneacuteho množstviacute vodiacuteku Tato uacutečinnost je typicky kolem 999 Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy ηel je tedy vyjaacutedřena naacutesledujiacuteciacutem vztahem

V zaacutevislosti na zvoleneacutem typu elektrolyacutezy a pracovniacutemi podmiacutenkami se uacutečinnost pohybuje v rozmeziacute 75 - 95 Takto vysokeacute hodnoty uacutečinnosti platiacute pro elektřinu jako zdroj energie Pokud ovšem vezmeme elektřinu jako energetickyacute vyacutestup jineacuteho energetickeacuteho zdroje jako např uhliacute zemniacute plyn nebo zdroje obnovitelneacute energie tak celkoveacute uacutečinnost vyacuteroby vodiacuteku elektrolyacutezou klesne na hranici 30

25Napětiacute člaacutenků

Spotřeba energie elektrolyacutezy je přiacutemo spojena s napětiacutem na člaacutenku a nepřiacutemo s proudovou uacutečinnostiacute Jak už bylo zmiacuteněno dřiacuteve proudovaacute uacutečinnost se bliacutežiacute k hodnotě 100 tzn že důležityacutem parametrem při navrhovaacuteniacute elektrolytickyacutech člaacutenku je napětiacute na člaacutenku

ηel =UTN

UsdotϕP

31

Elektrolyacuteza vody za skutečnyacutech podmiacutenek vyžaduje napětiacute U ktereacute je podstatně vyššiacute než vratneacute napětiacute Urev Musiacute překonat elektrickyacute odpor v elektrodaacutech v elektrolytu mezi elektrodami a separaacutetoru Daacutele musiacute pokryacutet přepětiacute na elektrodaacutech Napětiacute na člaacutenku pak může byacutet vyjaacutedřeno

kde ηK je přepětiacute na katodě ηA je přepětiacute na anodě j je proudovaacute hustota a R je suma elektrickyacutech odporů založenaacute na aktivniacute ploše elektrod Elektrickyacute odpor v elektrodaacutech zaacutevisiacute na typu složeniacute materiaacutelu a teplotě Přepětiacute je určeno aktivitou plochy elektrod složeniacute elektrolytu a teplotou Ohmickyacute odpor spojenyacute s pohybem elektronů je v relativně nevyacuteznamnyacute v bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute představuje ale nezanedbatelnyacute vliv v přiacutepadě monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů [9]

26Vliv provozniacutech podmiacutenek

261Teplota

Zvyacutešeniacute teploty elektrolyacutezy snižuje vratneacute napětiacute UREV a tiacutem paacutedem i celkovou energii vstupujiacuteciacute do procesu Pokud teplota vzroste z 250degC na 1000degC vstupniacute elektrickaacute energie může byacutet sniacutežena o 25 Nicmeacuteně celkovaacute energie potřebnaacute k provedeniacute elektrolyacutezy při vysokeacute teplotě je o něco vyššiacute Vyacutehoda vysokeacute teploty v elektrolytickeacutem procesu je použitiacute tepla jako energetickeacuteho vstupu a tiacutem zvyacutešeniacute uacutečinnosti diacuteky zvyacutešeneacute kinetice procesu Pokud je zdroj tepla snadno dostupnyacute je všeobecně mnohem levnějšiacute než elektřina tento fakt pak může značně ovlivnit celkovou ekonomiku procesu [9]

262Tlak

Tlak při procesu elektrolyacutezy maacute takeacute vliv na energetickeacute požadavky pro vyacuterobu elektrolytickeacuteho vodiacuteku Vratneacute napětiacute při daneacute teplotě T a tlaku p může byacutet určeno z Nernstovi rovnice jako

kde R označuje univerzaacutelniacute plynovou konstantu n počet elektronů potřebnyacutech pro rozděleniacute molekuly vody (n=2) F pro Faradayovu konstantu a aktivita jednotlivyacutech molekul Urev T p=1 vratneacute napětiacute při teplotě T [K] a standardniacutem tlaku p=1 bar Aktivizačniacute koeficienty vodiacuteku aH2 a kysliacuteku aO2 mohou byacutet ziacuteskaacuteny z poměru tlaku vůči atmosferickeacutemu tlaku aH2=pH2p a aO2=pO2p Daacute se předpoklaacutedat že pH2=pO2=p protože tlak na Urev T p=1 kysliacutekoveacute i vodiacutekoveacute straně je stejnyacute Daacutele aktivita vody je přibližně rovna 1 a tlak p=1 bar pak dojde ke zjednodušeniacute Nernstovi rovnice na tvar

Pro teplotu T=298K napětiacute roste s tlakem podle tabulky 3

U =Urev +ηK +ηA + j sdotR

UrevT p =UrevT p=1 +R sdotTn sdotF

lnaH2 sdot(aO2 )

05

aH2O

UrevT p =UrevT p=1 +3sdotR sdotT4 sdotF

ln p

32

Tlak p [bar] 10 30 50 100 200

Urev T p=1 [mV] 44 65 75 89 102

Tab 3 Zaacutevislost reversibilniacuteho napětiacute na tlaku [7]

Elektrolyzeacuter pracujiacuteciacute při tlaku 10 barů při 155V by potřeboval pouze 1608 V pro praacuteci při 200 barech založeno na teoretickeacute uacutevaze kdy (155 V + (102 mV - 44mV))= 162 V Vysokyacute tlak sice zvyšuje teoretickeacute vratneacute napětiacute pouze o paacuter procent i tak je staacutele vyacutehodneacute ho použiacutet ve skutečnyacutech elektrolyzeacuterech a to z důvodu sniacuteženiacute spotřeby energie a to diacuteky zvyacutešeneacute efektivitě (snižuje pracovniacute napětiacute) a vyššiacute dosažitelneacute proudoveacute hustotě Vysokyacute tlak daacutele redukuje velikost plynovyacutech bublinek na plochaacutech elektrod tiacutem zvyšuje vyacutekon buňky Vyacutehody tak převaacutežiacute lehkeacute zvyacutešeniacute teoretickeacuteho napětiacute Hlavniacutem důvodem pro použitiacute vysokotlakeacuteho procesu elektrolyacutezy je ovšem absence potřeby stlačovaacuteniacute vodiacuteku po jeho produkci a tiacutem paacutedem sniacuteženiacute naacutekladů Elektrolyzeacutery dokaacutežiacute zajistit zvyacutešeniacute tlaku při relativně maleacute potřebě energie Malyacute pokles energetickeacute uacutečinnosti procesu vyvaacutežiacute eliminaci kompresoru při dalšiacutem zpracovaacuteniacute vodiacuteku Vysokyacute tlak kolem 400 barů může způsobit mechanickeacute probleacutemy na elektrolyzeacuteru a tiacutem zvyacutešit investičniacute naacuteklady

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku

Spotřeba energie elektrolytickyacutem člaacutenkem může byacutet určena přiacutemyacutem způsobem z pracovniacuteho napětiacute člaacutenku U a proudoveacute uacutečinnosti φP Počet elektronů e- potřebnyacutech pro ziacuteskaacuteniacute jednoho kilogramu vodiacuteku z vodniacute elektrolyacutezy je bez ohledu na pracovniacute podmiacutenky fixniacute a to 26589 kAh Tato hodnota vychaacuteziacute z faktu že 2 elektrony jsou potřeba k vytvořeniacute jedneacute molekuly vodiacuteku z vody zbylaacute čaacutest je jednoduchaacute konverze jednotek zohledněniacutem molaacuterniacute hmotnosti vodiacuteku

Specifickaacute energie elektrolyzeacuteru K v kWhkg H2 pak může byacutet určena pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

kde U je průměrneacute pracovniacute napětiacute jednoho člaacutenku a φi proudovaacute uacutečinnost Tato rovnice nezohledňuje energii potřebnou ke stlačeniacute vodiacuteku pokud je požadovaacuten tlak vyššiacute než kteryacute je na vyacutestupu z elektrolyzeacuteru Nezahrnuje ani malou čaacutest energie potřebnou k de-ionizaci vody a ke konverzi ze střiacutedaveacuteho na stejnosměrnyacute proud Každopaacutedně rovnice naacutem daacutevaacute dobrou představu o spotřebě energie pro samotnyacute elektrolyzeacuter V tabulce 4 jsou shrnuty zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

2eminus

H2

sdot 1000gH2

2016gH2 molH2

sdot 96487Cmol

sdot 1eminus

sdot 1kA1000C s

sdot 1h3600s

= 26589kAh

K = 26589 sdotUϕi

33

Alkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacuteza El pevneacuteho polymeru

Parniacute el

Technologie Konvenčniacute al el

Moderniacuteal el

Inorganickaacutemembraacutenaal el

Pevnyacutepolymer

Vysoko tep lo tn iacute elektrolyzeacuter

Napětiacute člaacutenku [V] 18 - 22 15 - 25 16 - 19 14 - 20 095 - 13

P r o u d o v aacute hustota[Acm2]

013 - 025 02 - 20 02 - 10 10 - 40 03 - 10

Teplota [degC] 70 - 90 80 - 145 90 - 120 80 - 150 900 - 1000

Tlak [bar] 1 - 2 až do 120 až do 40 až do 400 900 - 1000

Elektrolyt 25 - 35 KOH

25 - 40 KOH

14 - 15KOH

Flurosulfonovaacutekyselina Keramickyacute

Uacute č i n n o s t člaacutenku [] 77 - 80 80 - 90 85 - 95 85 - 98 90 - 99

S p o t ř e b a energie [kWhNm3 H2]

43 - 49 38 - 43 36 - 40 36 - 40 25 - 35

Tab 4 Zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

34

3Metody uskladněniacute vodiacuteku

Z důvodu pokrytiacute denniacutech a sezonniacutech rozdiacutelů mezi dostupnostiacute energie a požadavky na tuto energii musiacute byacutet vodiacutek skladovaacuten Vodiacutek může byacutet skladovaacuten v plynneacute formě kapalneacute formě a takeacute jako hydrid kovu Vodiacutek je velmi lehkyacute plyn s malou hustotou To znamenaacute že maleacute množstviacute vodiacuteku zabiacuteraacute velkyacute objem Ciacutelem tedy je zvyacutešit objemovou hustotu vodiacuteku Klasickeacute oceloveacute vysokotlakeacute oceloveacute naacutedoby jsou plněny až na tlak 200 barů Naacutedoby vyrobeneacute ze zesiacutelenyacutech uhliacutekovyacutech vlaacuteken mohou teoreticky uklaacutedat vodiacutek při tlaku až 600 barů prakticky byl dosažen tlak asi 450 barů Ciacutelem automobiloveacuteho průmyslu je však hodnota 700 barů pro skladovaacuteniacute plynneacuteho vodiacuteku při běžneacutem použiacutevaacuteniacute v automobilech To však požaduje vyacutevoj novyacutech kompozitniacutech materiaacutelů ktereacute odolajiacute vysokeacutemu tlaku a nestanou se při styku s vodiacutekem křehkyacutemi S vyššiacutem tlakem roste hustota ale samotnaacute komprese je velmi komplikovanyacute nebezpečnyacute a drahyacute proces Zvyacutešeniacute hustoty vodiacuteku lze takeacute dosaacutehnout zkapalněniacutem nebo převedeniacutem do pevneacuteho stavu Hustota tekuteacuteho vodiacuteku je cca 708 kgm3 v porovnaacuteniacute s hustotou vodiacuteku v pevneacutem stavu a to 706 kgm3 Kondenzačniacute teplota vodiacuteku je při tlaku 1 bar -252degC z toho vyplyacutevaacute že proces zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je velmi energeticky naacuteročnyacute Tekutyacute vodiacutek se tak použiacutevaacute pokud je nezbytneacute zajistit vysokou hustotu napřiacuteklad pro kosmickeacute aplikace[10] Vodiacutek je takeacute schopen vytvaacuteřet hydridy s některyacutemi kovy Vodiacutek v molekulaacuterniacute podobě je absorbovaacuten do atomoveacute mřiacutežky kovů Objemovaacute hustota takoveacuteho vodiacuteku je pak na uacuterovni vodiacuteku kapalneacuteho ale pokud vezmeme v potaz i samotnou hmotnost kovů pak je hustota mnohem nižšiacute V současneacute době je nejvyššiacute dosažitelnaacute hustota jen přibližně 007 kg H2kg kovu při vysokeacute teplotě Vodiacutek v pevneacutem stavu je nejbezpečnějšiacute cesta jak uskladnit energii zvlaacuteště pro stacionaacuterniacute a mobilniacute aplikace Hlavniacutem probleacutemem pro uskladněniacute vodiacuteku v pevneacutem stavu je samotnaacute vaacuteha naacutedržiacute vysokaacute desorpčniacute energie niacutezkaacute kinetika desorpce dlouhaacute doba nabiacutejeniacute vysokyacute tlak a přenos tepla Vodiacutek může byacutet skladovaacuten jako plyn při vysokyacutech tlaciacutech jako kapalina v kryogenniacutech zaacutesobniacuteciacutech jako plyn chemicky vaacutezanyacute (např v hydridech kovů) Na obraacutezku 14 je uveden objem vodiacuteku a hmotnost celeacuteho zařiacutezeniacute vztaženaacute k zmiacuteněnyacutem způsobům skladovaacuteniacute a daacutele v porovnaacuteniacute s benziacutenem metanolem a uchovaacutevaacuteniacutem energie v bateriiacutech (vztaženeacute na energetickyacute ekvivalent 990 000 Btu (1 044 500 kJ))

35

Obr 14 Objemoveacute a hmotnostniacute porovnaacuteniacute paliv odpoviacutedajiacuteciacutech energetickeacutemu ekvivalentu 990000 Btu [12]

Nejlepšiacute cestou skladovaacuteniacute vodiacuteku je jeho uloženiacute ve formě uhlovodiacutekovyacutech paliv ačkoliv tato varianta vyžaduje dodatečnyacute systeacutem jeho extrahovaacuteniacute Niacutezkaacute hustota vodiacuteku ve formě plynneacute i kapalneacute maacute za naacutesledek takeacute niacutezkou hodnotu hustoty energie Danyacute objem vodiacuteku tedy obsahuje meacuteně energie než stejnyacute objem jinyacutech paliv Proto se napřiacuteklad zvyšuje relativniacute skladovaciacute objem naacutedrže pro dosaženiacute daneacute dopravniacute vzdaacutelenosti Použitiacutem vodiacuteku v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků vyrovnaacutevaacuteme podmiacutenky s ostatniacutemi palivy tiacutem že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vyššiacute oproti uacutečinnosti spalovaciacutech motorů takže bude zapotřebiacute meacuteně paliva a tiacutem i energie k dosaženiacute stejneacuteho energetickeacuteho vyacutesledku [12] Přes niacutezkou objemovou energetickou hustotu disponuje vodiacutek nejvyššiacutem poměrem energie k hmotnosti ze všech paliv Avšak tuto vyacutehodu obvykle zastiňuje velkaacute hmotnost zaacutesobniacuteku a naacutevaznyacutech zařiacutezeniacute Většina zaacutesobniacuteků vodiacuteku je značně rozměrnyacutech a těžkyacutech mnohem viacutec než použiacutevaneacute naacutedrže pro benziacuten

36

či naftu [12] Existujiacute i dalšiacute noveacute metody uskladněniacute vodiacuteku jako aktivovanyacute povrch uhliacuteku pomociacute skleněnyacutech mikrokuliček a komplexů polyhydridů Tyto technologie zvyšujiacute objemovou hustotu skladovaacuteniacute vodiacuteku jsou ovšem staacutele vyviacutejeny a v průmyslu zatiacutem nebyly implementovaacuteny [11]

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu

Měrnaacute akumulačniacute kapacita vodiacuteku v plynneacutem stavu zaacutevisiacute na skladovaciacutem tlaku Při skladovaacuteniacute za normaacutelniacutech podmiacutenek je i přes vysokeacute spalneacute teplo vodiacuteku akumulačniacute kapacita relativně niacutezkaacute a to asi 128 MJm3 Pokud se tlak zvyacutešiacute na 10 MPa akumulačniacute kapacita pak bude 1200 MJm3 [10] Stlačenyacute vodiacutek se uskladňuje v tlakovyacutech lahviacutech podobnyacutech těm ktereacute jsou použiacutevaacuteny pro stlačenyacute zemniacute plyn Většina tlakovyacutech zaacutesobniacuteků maacute vaacutelcovyacute tvar s půlkulovyacutemi vypuklyacutemi dny V současneacute době je snaha budovat zaacutesobniacuteky uspořaacutedaneacute za sebou a deformovat vaacutelcovyacute tvar pro zvětšeniacute užitečneacuteho objemu Otvory ve středu půlkulovyacutech den pak umožňujiacute průtok plynu do tlakoveacute naacutedoby a jsou osazeny regulaacutetory a zaacutekladniacutemi prvky řiacutezeniacute průtoku Jeden osazenyacute koncovyacute prvek působiacute primaacuterně jako uzaviacuteraciacute ventil ačkoli obsahuje i pojistnyacute ventil a může daacutele obsahovat i sniacutemače teploty a tlaku pro měřeniacute veličin stavu plynu v zaacutesobniacuteku Druheacute osazeniacute je pak již složityacutem zařiacutezeniacutem ktereacute se sklaacutedaacute ze solenoidoveacuteho nebo elektromagnetickeacuteho ventilu manuaacutelniacuteho uzaviacuteraciacuteho ventilu jednosměrneacuteho ventilu a tlakoveacuteho pojistneacuteho ventilu [12] Elektromagnetickyacute ventil uzaviacuteraacute zaacutesobniacutek a izoluje naacutedobu v přiacutepadě že zařiacutezeniacute je mimo provoz Odstavovaciacute ventil uzavře průtok plynu ze zaacutesobniacuteku jestliže je průtok přiacuteliš velkyacute (např praskne-li trubka) Manuaacutelniacute uzaviacuteraciacute ventil umožňuje aby obsah zaacutesobniacuteku byl uzavřen nebo vypuštěn manuaacutelně v přiacutepadě poruchy elektromagnetickeacuteho ventilu Jednosměrnyacute ventil umožňuje plněniacute zatiacutemco elektromagnetickyacute ventil je uzavřen Pojistnyacute tlakovyacute ventil (na obou konciacutech vaacutelce) vypouštiacute obsah zaacutesobniacuteku v přiacutepadě kdy je vystaven působeniacute vysokyacutech vnitřniacutech tlaků či vysokyacutech okolniacutech teplot (např vystaveniacute ohni) Termiacutenem bdquovysokotlakyacute plynldquo obvykle označujeme plyn s tlaky vyššiacutemi jak 207 barg (3 000 PSIg) a to v přiacutepadě kdy hovořiacuteme o skladovaacuteniacute plynů

37

Obr 15 Konstrukce laacutehve Typu 3 [12] Tlaky vyššiacute jak 2 barg (30 PSIg) představujiacute dostatečnou hrozbu zraněniacute člověka a proto i o nich můžeme v terminologii hovořit jako o vysokyacutech Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky plynu musiacute byacutet konstruovaacuteny z tlustostěnnyacutech vysokopevnostniacutech materiaacutelů a musiacute byacutet velice trvaleacute Zaacutesobniacuteky jsou klasifikovaacuteny do čtyř typů v zaacutevislosti na použiteacutem konstrukčniacutem materiaacutelu viz tabulka 5 Obecně lze řiacuteci že čiacutem meacuteně použiteacuteho kovu tiacutem menšiacute hmotnost zaacutesobniacuteku Z tohoto důvodu je obvykle u vodiacutekovyacutech aplikaciacute použiacutevaacuten typ 3 na obraacutezku 15 V budoucnu však pravděpodobně ziacuteskaacute vyacutesadniacute postaveniacute typ 4 Specifickaacute hmotnost pak zaacutevisiacute individuaacutelně na vyacuterobě daneacuteho typu Jako referenčniacute objem bereme 35 ft3(100 l) U oceloveacuteho zaacutesobniacuteku typu 1 je hmotnost zaacutesobniacuteku přibližně 100 kg u typu 3 65 kg a v přiacutepadě typu 4 je hmotnost zaacutesobniacuteku cca 30 kg [12]

Typ lahve

Popis Hmotnostikovkompozit

Typ 1 Laacutehev kompletně z oceli a hliniacuteku 1000

Typ 2 Laacutehev s kovovyacutem pruhem z oceli čiacute hliniacuteku a s obručemi z kompozitniacuteho materiaacutelu

5545

Typ 3 Laacutehev zcela zabalenaacute do kompozitniacuteho materiaacutelu s tenkyacutemi vrstvami z oceli či hliniacuteku

2080

Typ 4 Laacutehev zcela zabalenaacute v kompozitniacutem materiaacutelu s plastickyacutemi vrstvami

0100

Tab 5 Klasifikace vysokotlakyacutech lahviacute na vodiacutek

38

Typ 3 ziacuteskaacutevaacute nejviacutece pevnosti z kompozitniacuteho obalu kteryacute je navinut kolem vnitřniacute vložky Kompozit se sklaacutedaacute z vysokopevnostniacutech vlaacuteken (obvykle uhliacutekatyacutech) jež jsou stmelena pryskyřiciacute (např epoxid) viz obraacutezek 15 Kombinace vlaacuteken a pryskyřice použiacutevaneacute pro tyto kompozitniacute zaacutesobniacuteky zaručujiacute extreacutemně vysokou odolnost Povrch kompozitu je meacuteně odolnyacute než povrch kovu a je viacutece naacutechylnyacute k fyzikaacutelniacutemu poškozeniacute (střih abraze naacuteraz atd) či chemickeacutemu poškozeniacute (čpavek kyseliny atd) avšak meacuteně naacutechylnyacute ke korozi Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky obvykle skladujiacute vodiacutek při 250 bar i když se zkoušejiacute zaacutesobniacuteky na provozniacute tlak 350 bar Současnyacute stav technologie jež je čaacutestečně ve stadiu vyacutevoje si dovoluje překračovat v testu roztrženiacute zaacutesobniacuteku hodnoty tlaku 1620 bar u zaacutesobniacuteku Typu 4 pak 700 bar Jakeacutekoliv plyny ktereacute se skladujiacute při těchto vysokyacutech tlaciacutech jsou extreacutemně nebezpečneacute a jsou schopny opouštět zaacutesobniacutek proudem plynu s explozivniacutemi uacutečinky sil nebo uvaacutedět do pohybu maleacute předměty jako projektily Neukotvenyacute zaacutesobniacutek se může změnit v raketu v přiacutepadě kdy plyn naacutehle začne proudit malyacutem otvorem Navzdory potenciaacutelniacutemu nebezpečiacute majiacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky velmi dobryacute stupeň bezpečnosti Provedeniacute zaacutesobniacuteku musiacute odpoviacutedat přiacutesnyacutem standardům a musiacute vydržet různeacute certifikačniacute testy Pro zajiacutemavost nesmiacute selhat během 13000 tlakovyacutech cyklech při 100 servisniacutem tlaku plus 5000 cyklů při 125 servisniacutem tlaku ani při 30 cyklech při 166 servisniacuteho tlaku Daacutele prochaacuteziacute testem na roztrženiacute zaacutesobniacuteku při 225 až 3 naacutesobku servisniacuteho tlaku Tlakovaacute laacutehev musiacute daacutele vydržet paacuted z vyacutešky naacuterazy naacuterazy kyvadlem a musiacute byacutet dokonce odolnaacute při vystaveniacute střelbě [12] Během vyacuteroby je každyacute zaacutesobniacutek vystaven hydrostatickyacutem tlakovyacutem testům a testům na těsnost vybraneacute zaacutesobniacuteky zadaneacute seacuterie jsou zkoušeny cyklickyacutemi a pevnostniacutemi testy uvedenyacutemi vyacutešeZaacutesobniacuteky jsou během vyacuteroby označeny je to jeden z nutnyacutech standardů vyacuteroby seacuteriovyacutem čiacuteslem servisniacutem a provozniacutem jmenovityacutem tlakem a datem zhotoveniacute U zaacutesobniacuteků jež nejsou vystavovaacuteny těžkyacutem externiacutem podmiacutenkaacutem a tlak plynu se pohybuje na jmenoviteacute hodnotě se očekaacutevaacute doba životnosti do 15 let nebo do 11 250 naplněniacute Inspekčniacute testy a testy těsnosti jsou rutinniacute součaacutesti uacutedržby Typickeacute mobilniacute aplikace použiacutevajiacute seacuterii zaacutesobniacuteků upevněnyacutech na společneacute rozvodneacute potrubiacute Při nominaacutelniacutem tlaku 250 bar systeacutem zaacutesobniacuteků vaacutežiacute asi čtyřikraacutet viacutece než srovnatelnyacute systeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute formě a zaujiacutemaacute viacutece než čtyřnaacutesobek prostoru V porovnaacuteniacute s benziacutenem je skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacute formě patnaacutectkraacutet naacuteročnějšiacute prostorově a třiadvacetkraacutet hmotnostně Řešeniacute probleacutemu pak vyžaduje napřiacuteklad pokrytiacute 50 střechy autobusu zaacutesobniacuteky vodiacuteku aby byly nahrazeny staacutevajiacuteciacute naacutedrže nafty Navzdory tomuto objemu je celkovaacute hmotnost vodiacuteku jen 40 až 50 kg a je zanedbatelnaacute v porovnaacuteniacute s hmotnostiacute zaacutesobniacuteků a externiacuteho vybaveniacute Skladovaacuteniacute plynu při ještě většiacutem tlaku daacutevaacute menšiacute skladovaciacute objem ale celkovaacute hmotnost zaacutesobniacuteku se přiacuteliš neměniacute jelikož zaacutesobniacuteky musiacute byacutet robustnějšiacute Současnyacute stav (2012) pro tento typ skladovaacuteniacute je 350 bar a hmotnostniacutem poměru 113 u zaacutesobniacuteku typu 4 Komprese plynu je energeticky naacuteročnyacute proces Čiacutem vyššiacute koncovyacute tlak tiacutem většiacute množstviacute energie je potřeba Avšak přiacuterůstek energie potřebneacute k dosaženiacute vyššiacuteho tlaku klesaacute takže počaacutetečniacute uacutesek zůstaacutevaacute energeticky intenzivnějšiacute čaacutestiacute procesu komprimaceVyvaacuteženiacute přiacuterůstku (snižovaacuteniacute) hustoty plynu při vyššiacutech tlaciacutech se staacutevaacute důležitou ekonomickou otaacutezkou v hospodařeniacute s energiiacute při vyššiacutech uacuterovniacutech komprese Užitečnou cestou k pochopeniacute energetickyacutech naacutekladů

39

na komprimaci je způsob jejich vyjadřovaacuteniacute procentem energie na komprimaci z celkoveacute energie obsaženeacute v zaacutesobniacuteku vodiacuteku Za teacuteto podmiacutenky je přibližnaacute spotřeba 5 z celkoveacute energie laacutetky v zaacutesobniacuteku při komprimaci na 350 bar Přesneacute množstviacute energie je samozřejmě zaacutevisleacute na průtoku a uacutečinnosti použiteacuteho kompresoru Ke skladovaacuteniacute vodiacuteku v podobě stlačeneacuteho plynu se využiacutevajiacute předevšiacutem podzemniacute poreacutezniacute zaacutesobniacuteky kolektory solneacute sloje či skalniacute dutiny Anglie a Francie majiacute dlouhodobou zkušenost na poli podzemniacuteho uskladněniacute vodiacuteku Britskyacute chemickyacute koncern ICI uskladňuje vodiacutek v třikraacutet pročištěneacute solneacute sloji v Teeside Vodiacutek je v teacuteto 366 m hlubokeacute sloji natlakovaacuten na 50 barů Od 1957 do 1974 GAZ DE FRANCE uskladňoval městskyacute plyn s obsahem vodiacuteku 50 v kolektoru s objemem 330 milioacutenů m3 Maleacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky jsou bez vyacutejimky provedeny jako nadzemniacute zařiacutezeniacute pro stlačenyacute plyn V průmysloveacutem sektoru se již vyskytla standardizace typů Vyacutesledkem jsou vaacutelcoviteacute zaacutesobniacuteky s maximaacutelniacutem provozniacutem tlakem 5 MPa a 28 m v průměrech ktereacute jsou k dostaacuteniacute s naacutesledujiacuteciacutemi deacutelkami (či vyacuteškami) 73 m (max obsah při 45 MPa je 1 305 Nm3) 108 m (max obsah 2 205 Nm3) a 19 m (max obsah 4 500 Nm3) V tomto přiacutepadě vyacutepočty pro energetickyacute obsah v hmotnostniacute či objemoveacute jednotce včetně samotneacuteho zaacutesobniacuteku vedou na hodnoty 024 ndash 031 kWhkg respektive 0135 kWhl [12] Podzemniacute zaacutesobniacuteky obdobneacute podzemniacutem zaacutesobniacuteků zemniacuteho plynu (v podzemniacutech kavernaacutech ve vodonosnyacutech vrstvaacutech ve vytěženyacutech ložisciacutech ropy apod) Skladovaacuteniacute vodiacuteku v těchto zaacutesobniacuteciacutech bude ovšem asi 3 x dražšiacute než skladovaacuteniacute zemniacuteho plynu převaacutežně kvůli menšiacute objemoveacute kapacitě vodiacuteku Nevyacutehoda takoveacuteho skladovaacuteniacute jsou ztraacutety ktereacute mohou dosaacutehnout až 3 procent ročně Tento typ uacuteložišť se již využiacutevaacute V Kielu se již od roku 1971 skladuje městskyacute plyn kteryacute obsahuje až 65 vodiacuteku v podzemniacutem zaacutesobniacuteku v hloubce 1330 m o objemu 32 000 m3 a tlaku 8 - 16 MPa [10] Nadzemniacute zaacutesobniacutekoveacute systeacutemy se běžně použiacutevajiacute v průmyslu zemniacuteho plynu v různyacutech rozměrovyacutech a tlakovyacutech uacuterovniacutech Běžneacute tlakoveacute lahve o objemu 50 litrů a tlaku 20 Mpa stacionaacuterniacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky s tlakem 20 MPa i většiacutem velkeacute kuloveacute zaacutesobniacuteky o objemu až 30 000 m3 a tlaku 12 - 16 Mpa Naacuteklady jsou u teacuteto metody dosti vysokeacute (komprese vysokotlakeacute naacutedoby) V přiacutepadě použitiacute v automobilu se tato metoda vykazuje rychlou dobou plněniacute a velkyacutem množstviacutem uskladněneacuteho vodiacuteku (na uacutekor bezpečnosti) Na plnou naacutedobu vodiacuteku vaacutežiacuteciacute okolo 40 kg s 39 kg vodiacuteku je auto schopno ujet až 600 km

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu

Systeacutemy skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute faacutezi překonaacutevajiacute mnoho probleacutemů spojenyacutech s objemem a hmotnostiacute při vysokotlakeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku avšak za cenu potřeby zajištěniacute kryogenniacutech teplot Kapalnyacute vodiacutek může byacutet skladovaacuten pod svyacutem bodem varu ktereacuteho za normaacutelniacutech podmiacutenek dosaacutehne při -252882 degC (20268 K) nebo takeacute bliacuteže podmiacutenek okolniacuteho tlaku v dvoustěnnyacutech super izolovanyacutech naacutedržiacutech neboli bdquodewarechldquo (Dewarovyacutech naacutedobaacutech) Tyto izolace jsou izolacemi vakuovyacutemi [12] Zaacutesobniacuteky tekuteacuteho vodiacuteku nepotřebujiacute vysokotlakeacute naacutedoby a proto nemusiacute byacutet tak robustniacute Vodiacutek nemůže byacutet skladovaacuten v zaacutesobniacuteciacutech neomezeně Všechny zaacutesobniacuteky bez ohledu na kvalitu izolace umožňujiacute transfer tepla mezi zaacutesobniacutekem a okoliacutem Velikost teplotniacute netěsnosti zaacutevisiacute na konstrukci a velikosti zaacutesobniacuteku

40

Tyto přiacutečiny přenosu tepla vedou k odpařovaacuteniacute vodiacuteku a zvyšovaacuteniacute tlaku Stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky kapalneacuteho vodiacuteku jsou stavěny nejčastěji ve formě kuloviteacute jelikož koule nabiacuteziacute nejmenšiacute povrch k daneacutemu objemu a proto nejmenšiacute plochu přestupu tepla [12] Zaacutesobniacuteky majiacute maximaacutelniacute konstrukčniacute přetlak kolem 5 bar v přiacutepadě že odběr vodiacuteku je menšiacute než jeho produkce a vypařovaacuteniacutem roste tlak v zaacutesobniacuteku až do hodnoty kdy je odveden pojistnyacutem ventilem Odplyněniacute sniacuteženiacute přetlaku tiacutemto způsobem neniacute jenom přiacutemou ztraacutetou využitelneacuteho paliva ale v přiacutepadě mobilniacutech jednotek i potenciaacutelniacute nebezpečiacute a to předevšiacutem v budovaacutech a garaacutežiacutech Současneacute automobiloveacute aplikace zaacutesobniacuteku kapalneacuteho vodiacuteku odvaacutedějiacute 1 až 2 za den Vodiacutek může byacutet čerpaacuten ze zaacutesobniacuteku buď jako kapalina nebo jako plyn V přiacutepadě že je použiacutevaacuten v jednotkaacutech s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem může byacutet kapalnyacute vodiacutek vstřikovaacuten přiacutemo do vaacutelce v zaacutevislosti na zvyšujiacuteciacutemsnižujiacuteciacutem se množstviacute spalovaneacuteho paliva a pracovniacutem zdvihu V přiacutepadě použitiacute v palivoveacutem člaacutenku plynnyacute vodiacutek může byacutet odčerpaacutevaacuten při odpoviacutedajiacuteciacutem tlaku pro zaacutesobovaacuteniacute daneacute reakce [12] Ačkoli skladovaacuteniacute kapalneacuteho vodiacuteku eliminuje nebezpečiacute spojenaacute s vysokotlakyacutem skladovaacuteniacutem plynů přinaacutešiacute daacutele nově vlastniacute nebezpečiacute spojenaacute s niacutezkyacutemi teplotami Vaacutežnaacute nebezpečiacute omrzlin existujiacute ve spojeniacute s kapalnyacutem vodiacutekem jeho paacuterami a kontaktniacutemi plochami Uhliacutekataacute ocel vystavenaacute teplotaacutem nižšiacutem -30 degC a to přiacutemo nebo nepřiacutemo se staacutevaacute křehkou a je naacutechylnaacute k lomu Vzduch může kondenzovat na povrchovyacutech plochaacutech ktereacute jsou podchlazeneacute může odkapaacutevat daacutele i na materiaacutely nebezpečneacute z pohledu vzniacuteceniacute požaacuteru nebo vyacutebuchu nebezpečiacute totiž spočiacutevaacute v naacutesledneacutem zvyacutešeniacute koncentrace [12] Zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je vzhledem k dosaacutehnutiacute extreacutemně niacutezkyacutech teplot energeticky velmi naacuteročnyacute intenzivniacute proces Zkapalňovaacuteniacute zahrnuje několik kroků Prvniacutem je komprese vodiacuteku v piacutestoveacutem kompresoru přechlazeniacute stlačeneacuteho plynu na teplotu zkapalněniacute dusiacuteku (-195 degC) naacutesleduje expanze přes turbiacutenu a posledniacutem krokem je katalytickaacute konverze na stabilniacute formu vodiacuteku Ve vyacutesledku je energie potřebnaacute k procesu zkapalněniacute ekvivalentem kteryacute překračuje 40 energetickeacute vztažneacute hodnoty vodiacuteku Kapalnou formu vodiacuteku lze relativně uacutečinně transportovat a lehce použiacutevat Je zřejmeacute že během zkapalňovaacuteniacute se vklaacutedajiacute do energie maximaacutelniacute investice a proto se jeviacute proziacuteraveacute skladovat a použiacutevat vodiacutek přiacutemo jako kapalinu kdykoli je to možneacute V zaacutevislosti na množstviacute zkapalňovaneacuteho vodiacuteku jsou použiacutevaacuteny různeacute zkapalňovaciacute metody Velkaacute zařiacutezeniacute obvykle využiacutevajiacute kombinace naacutesledujiacuteciacutech metod - turbiacutenovaacute Joule-Thomsonova či magnetokalorickaacute metoda Ve všech přiacutepadech je zkapalněniacute dosaženo kompresiacute naacutesledovaneacute určityacutem způsobem expanze buď nevratneacute využitiacutem škrtiacuteciacuteho ventilu či čaacutestečně vratneacute využitiacutem expanzniacuteho stroje Obvykle je použito 6 stupňů tepelneacuteho vyacuteměniacuteku přičemž prvniacute je chlazen tekutyacutem dusiacutekem V předposledniacutem kroku obstaraacutevaacute expanzi Joule-Thomsonův ventil Využitiacute magnetokalorickyacutech metod umožňuje přeměnu ortho-vodiacuteku na para-vodiacutek Po několika krociacutech je dosažen obsah para-vodiacuteku okolo 95 Para-vodiacutek maacute menšiacute energetickyacute obsah než ortho-vodiacutek[12] Způsob uskladněniacute kapalneacuteho vodiacuteku je obvykle proveden pomociacute uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků majiacuteciacutech perlitoveacute podtlakoveacute izolace V USA je mnoho obdobnyacutech zaacutesobniacuteků Největšiacute z nich patřiacute NASA a je situovaacuten na mysu Canaveral Tento zaacutesobniacutek maacute objem přibližně 3 800 m3 (přibližně 270 t LH2) Běžneacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky majiacute objemy od 1 500 l (přibližně 1 100 Nm3) až do 75 000 l

41

(přibližně 60 000 Nm3) V souvislosti s aktivitami tyacutekajiacuteciacutemi se dopravniacutech prostředků na vodiacutek byla v Německu vyvinuta malaacute přenosnaacute uskladňovaciacute zařiacutezeniacute Zaacutesobniacuteky pro automobily (umiacutestěneacute v testovanyacutech dopravniacutech prostředciacutech BMW) a autobusy (umiacutestěneacute v MAN-Bus SL202) jsou v současnosti vyraacuteběneacute pouze v maleacutem počtu Zaacutesobniacuteky pro autobusy se sklaacutedajiacute ze třiacute eliptickyacutech křiacutežiacuteciacutech se zaacutesobniacuteků každyacute o objemu 190 l odpoviacutedajiacuteciacute energetickeacutemu obsahu 450 kWh či 150 Nm3 plynneacuteho vodiacuteku při normaacutelniacutech podmiacutenkaacutech Dosažitelnaacute energetickaacute hustota je 45 kWhkg či 213 kWhl Zaacutesobniacuteky jsou konstruovaacuteny z 200 - 300 vrstev izolačniacutech foacuteliiacute dovolujiacuteciacutech odpařit okolo 1 zkapalněneacuteho plynu za den Nicmeacuteně toto množstviacute narůstaacute při spojeniacute několika zaacutesobniacuteků dohromady vlivem ztraacutet ve spojovaciacutem potrubiacute [12]

Obr 16 120 litrovaacute naacutedrž na tekutyacute vodiacutek firmy Linde [16]

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů

Systeacutemy skladovaacuteniacute v hydridech kovů se zaklaacutedajiacute na principu snadneacute absorpce plynu určityacutemi materiaacutely za podmiacutenek vysokeacuteho tlaku a miacuternyacutech teplot Tyto laacutetky pak uvolňujiacute vodiacutek jako plyn v přiacutepadě kdy jsou zahřiacutevaacuteny při niacutezkyacutech tlaciacutech a relativně vysokyacutech teplotaacutech V podstatě tyto materiaacutely kovy nasaacutevajiacute a uvolňujiacute vodiacutek jako bdquohoubaldquo Vyacutehoda skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů se soustřeďuje na skutečnost že vodiacutek se staacutevaacute součaacutestiacute chemickeacute struktury těchto kovů a proto daacutele neniacute požadovaacuten vysokyacute tlak nebo kryogenniacute teplota pro vlastniacute provoz [12] Vodiacutek se uvolňuje z hydridů pro použitiacute při niacutezkeacutem tlaku hydridy kovů jsou ve sveacute podstatě nejbezpečnějšiacute ze všech systeacutemů skladovaacuteniacute Existuje mnoho typů specifickyacutech hydridů kovů primaacuterně se však staviacute na kovovyacutech slitinaacutech hořčiacuteku niklu železa a titanu Hydridy kovů mohou byacutet rozděleny dle vysoko nebo niacutezkoteplotniacute desorpce vodiacuteku Vysokoteplotniacute hydridy jsou levnějšiacute a jsou schopneacute uchovaacutevat viacutece vodiacuteku než niacutezkoteplotniacute ale vyžadujiacute vyacuteznamně viacutece tepelneacute energie

42

pro uvolněniacute vodiacuteku Niacutezkoteplotniacute hydridy mohou na rozdiacutel od vysokoteplotniacutech hydridů ziacuteskat dostatek tepelneacute energie pro uvolněniacute vodiacuteku z vlastniacute jednotky ktereacute vyžadujiacute externiacute zdroj tepelneacute energie Niacutezkaacute teplota desorpce ve spojeniacute s niacutezkoteplotniacutemi hydridy může byacutet probleacutemem vzhledem k přiacuteliš snadneacutemu uvolňovaacuteniacute plynu za okolniacutech podmiacutenek K překonaacuteniacute těchto probleacutemů musiacute byacutet niacutezkoteplotniacute hydrid kovu pod tlakem čiacutemž vzrůstaacute komplikovanost procesu Typickeacute charakteristiky hydridů kovů jsou shromaacutežděny v tabulce 6

Charakteristika NiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacute VysokoteplotniacuteVysokoteplotniacuteVysokoteplotniacute

T i 2 N i -H25

F e T i -H25

VH-VH2 L a N i 5 -H67

M g C u -H3

M g 2 N i -H4

Mg-H

Množs tv iacute s l i t i ny absorbujiacuteciacute H2 []

161 187 192 155 267 371 825

Množstviacute hydridu s c h o p n eacute h o absorbovat energii jako z 1l benziacutenu [kg]

155 134 130 161 - 675 35

Množstviacute slitiny k akumulaci 25 kg vodiacuteku [kg]

217 188 182 225 - 95 50

Desorpčniacute teplota při tlaku 15 barg [degC]

-3 7 15 21 245 267 296

Doplňovaacuteniacute snadneacute - - těžkeacute - těžkeacute těžkeacute

Tab 6 Charakteristika použiacutevanyacutech hydridů kovu [12]

Hlavniacute nevyacutehodou skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů neniacute jen teplota a tlak nutnyacute pro extrakci vodiacuteku ale i jejich niacutezkaacute hustota energie Dokonce i ty nejlepšiacute hydridy obsahujiacute jen 8 hmotnostniacutech procent vodiacuteku Majiacute proto velkou hmotnost a naviacutec jsou draheacute Systeacutem s hydridem kovu může byacutet až třicetkraacutet těžšiacute a desetkraacutet objemnějšiacute než naacutedrž s benziacutenem stejneacuteho energetickeacuteho obsahu Dalšiacute nevyacutehodou systeacutemů na baacutezi hydridu kovu je nutnost použiacutevat jen velmi čistyacute vodiacutek jinak dojde ke kontaminaci hydridu s naacuteslednou ztraacutetou kapacity Kysliacutek a voda jsou prvotniacutemi činiteli jelikož se chemicky adsorbujiacute na povrch kovů a nahrazujiacute potenciaacutel vodiacutekovyacutech vazeb Sniacuteženiacute kapacity kontaminaciacute může byacutet do určiteacute miacutery reaktivovaacuteno teplem Dalšiacute probleacutemy spojeneacute s hydridy kovů souvisiacute s jejich strukturou Typickeacute provedeniacute se naleacutezaacute ve formě zrniteacute granulovaneacute nebo praacuteškoveacute struktury kteraacute tak poskytuje co největšiacute plochu pro kontakt s plynem Tyto čaacutestice jsou naacutechylneacute na abrazi jež u obojiacuteho vede k redukci jejich efektivity a může veacutest k ucpaacuteniacute profilu přepouštěciacutech ventilů nebo trubek Žaacutednyacute specifickyacute materiaacutel nemaacute vynikajiacuteciacute vlastnosti ve všech požadovanyacutech směrech (vysokaacute kapacita absorpce vysokaacute hustota energie malaacute potřeba tepla a niacutezkeacute naacuteklady) Z tohoto důvodu se použiacutevaacute směs různyacutech vysoko a niacutezkoteplotniacutech hydridů kdy se vyrovnaacutevajiacute vyacutehody a nevyacutehody různyacutech typů při různyacutech podmiacutenkaacutech provozu [12]

43

Obr 17 Vlastnosti vybranyacutech hydridů [8]

331 Hydridy alkalickyacutech zemin

Noveacute variace hydridů ktereacute nabiacutezejiacute vyacutehodnějšiacute vlastnosti oproti předchoziacutem metodaacutem se tyacutekajiacute peletizovanyacutech sodiacutekovyacutech drasliacutekovyacutech a lithnyacutech složek Tyto složky hydridů reagujiacute s vodou za vyacutevinu vodiacuteku bez nutnosti dodaacutevaacuteniacute tepelneacute energie Nejpokročilejšiacute komerčně vyviacutejenyacute systeacutem vyžaduje použitiacute hydroxidu sodneacuteho jenž je hojně k dispozici jakožto odpadniacute materiaacutel z průmysloveacute vyacuteroby papiacuteru plastu z ropneacuteho průmyslu a jinyacutech Hydroxid sodnyacute je převeden na hydrid sodnyacute(NaH) za přiacutevodu tepla naacutesledovně

2NaOH + tepenerrarr 2NaH +O2

NaH potom může byacutet peletizovaacuten tyto pelety se pokryacutevajiacute vodě-odolnyacutem plastem nebo povlakem Sodiacutek se tak staacutevaacute neaktivniacutem a lze ho potom jednoduše transportovat Pro uvolněniacute vodiacuteku je ochrannyacute povlak rozrušovaacuten a naacutesleduje reakce s vodou

NaH (s)+ H2O(l)rarr NaOH (l)+ H2 (g) Tato reakce probiacutehaacute poměrně rapidně a vodiacutek z teacuteto reakce maacute tlak kolem 8-10 bar Hydroxid sodnyacute lze ziacuteskat zpět a může byacutet opětovně použiacutevaacuten v procesu Vyacutehoda tohoto uchovaacutevaacuteniacute vodiacuteku oproti ostatniacutem hydridům je absence potřeby tepla pro uvolněniacute vodiacuteku Tento proces je relativně jednoduchyacute a z toho plyne i jednoduššiacute konstrukce takoveacuteho procesniacuteho zařiacutezeniacute Nevyacutehodou tohoto procesu jsou komplikace spojeneacute s mechanickyacutem rozrušovaacuteniacutem pelet kontrolovanyacutem způsobem a naacutesledneacute využitiacute odpadniacutech materiaacutelů kteryacute obklopuje odpadniacute hydroxid sodnyacute a použiteacute plastoveacute obaly pelet Proces využiacutevajiacuteciacute kombinaci generovaacuteniacute vodiacuteku a skladovaacuteniacute pro jednoraacutezoveacute použitiacute Stejně jako u elektrolyacutezy je vodiacutek

44

v hydridu sodneacutem nositel energie ne však jejiacute zdroj Hydroxid sodnyacute se nachaacuteziacute v niacutezkeacutem energetickeacutem stavu a musiacute byacutet přenesen do vyššiacuteho stavu pomociacute dodaacuteniacute tepelneacute energie

34 Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku

V současnosti se se zkoumajiacute dalšiacute skladovaciacute metody vodiacuteku jako je adsorpce na uhliacutekovyacutech poreacutezniacutech strukturaacutech skleněneacute mikrosfeacuterya oxidačniacute technologie železa Tyto metody jsou použiacutevaacuteny pouze laboratorněa jejich nasazeniacute do komerčniacute sfeacutery ještě nelze v bliacutezkeacute budoucnosti očekaacutevat

341 Uhliacutekovaacute adsorpce

Uhliacutekovaacute adsorpce je založena na slučitelnosti uhliacuteku a vodiacutekovyacutech atomů Vodiacutek je čerpaacuten do kontejnerů se substraacutetem malyacutech karbonovyacutech čaacutestic kde je vaacutezaacuten molekulaacuterniacutemi silami Tato metoda silně připomiacutenaacute metodu skladovaacuteniacute v hydridech kovů je ovšem zdokonalena v oblasti niacutezkyacutech teplot kde se uvažuje rozdiacutel mezi tekutyacutem vodiacutekem a chemickou vazbou Uhliacutek adsorbuje při teplotaacutech -185 až -85 degC a tlaciacutech 21 až 48 bar Velikost adsorpce uhliacutekem se zvyšuje s nižšiacutemi teplotami Teplo při překročeniacute teplotniacute hranice 150degC uvolňuje vodiacutek

342 Technologie uhliacutekovyacutech nanovlaacuteken

Laboratorniacute vyacutesledky ukazujiacute tuto metodu jako velmi nadějnou pro budouciacute použitiacute Vodiacutek uskladněnyacute ve sloučenině může dosaacutehnout až 70 celkoveacute vaacutehy sloučeniny Typickeacute hydridy kovů jsou schopny přijmout 2-4 vaacutehy sloučeninyv hmotnostně těžkeacute struktuře Pokud by tyto vyacutesledky byly reaacutelně prokaacutezaacuteny potom vozidla použiacutevajiacuteciacute vodiacutekoveacute palivoveacute člaacutenky budou schopny ujet až 5000 km bez potřeby doplněniacute paliva Tiacutem by se vyřešil probleacutem chybějiacuteciacute infrastruktury distribuce vodiacuteku Takoveacute palivo by se mohlo skladovat ve skladištiacutech nebo posiacutelat prostřednictviacutem přepravniacutech služeb

343 Skleněneacute mikrosfeacutery Systeacutemy skleněnyacutech mikrosfeacuter použiacutevajiacute maleacute skleněneacute sfeacutery (kuličky)s průměrem menšiacutem než 100 microm jež jsou schopny odolat tlakům až 1 000 MPa Vodiacutek je do nich nuceně vhaacuteněn velmi vysokyacutemi tlaky Jakmile je vodiacutek uskladněn kuličky je možno ponechat v podmiacutenkaacutech okolniacuteho prostřediacute bez ztraacutet vodiacuteku Přivedeniacute nevelkeacuteho množstviacute tepelneacute energie se uvolňuje vodiacutek zpět Pro zajištěniacute zvyacutešeniacute rychlosti uvolňovaacuteniacute vodiacuteku ze skleněnyacutech mikrosfeacuter se provaacutediacute experimenty i formou drceniacute kuliček [12]

344 Oxidace železa

Oxidace železa je proces při ktereacutem se vodiacutek vytvaacuteřiacute reakciacute poacuteroviteacuteho železa (surovaacute ingredience pro ocelaacuteřskeacute pece) s vodniacute paacuterou Reakce potom lze popsat naacutesledujiacuteciacutem rovnicemi

Fe+ H2Oharr FeO + H2

45

3FeO + H2Oharr Fe3O4 + H2

Vedlejšiacutem produktem tohoto procesu je rez Jakmile železo plně zkoroduje je potřeba ho vyměnit za noveacute Produkty reakce jsou přeměněny na původniacute formu Paacuteru a tepelnou energii potřebnou pro průběh reakce lze ziacuteskaacutevat pomociacute spalovaciacute jednotky nebo v přiacutepadě palivovyacutech člaacutenků z jejich chladiacuteciacuteho okruhu (meacutedia) Ačkoliv je ocel levnaacute jejiacute hmotnost činiacute tuto metodu nevyacutehodnou Efektivniacute hmotnost paliva vůči celkoveacute hmotnosti systeacutemu uskladněniacute je 45 Vlastniacute reakce probiacutehaacute při teplotě 80 - 200 degC

46

4Palivoveacute člaacutenky

Za objevitele principu palivoveacuteho člaacutenku je považovaacuten Sir William Grove přičemž datum objevu se datuje do roku 1839 Během konce 19 a počaacutetku 20 stoletiacute se vědci pokoušeli objevit noveacute typy palivovyacutech člaacutenků kombinujiacutece přitom různaacute paliva a elektrolyty Avšak většinou bezvyacutesledně Rozvoj v teacuteto oblasti nastal až kolem poloviny 20 stoletiacute v důsledku snah najiacutet alternativniacute zdroje pro vesmiacuterneacute lety Gemini a Apollo Ale i tyto pokusy byly zpočaacutetku neuacutespěšneacute Až roku 1959 předvedl Francis T Bacon prvniacute plně fungujiacuteciacute palivovyacute člaacutenek Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (PEM FC ndash Proton Exchange Membrane Fuel Cells) byly poprveacute použity společnostiacute NASA v roce 1960 jako součaacutest vesmiacuterneacuteho programu Gemini Tyto palivoveacute člaacutenky využiacutevaly jako reakčniacute plyny čistyacute kysliacutek a čistyacute vodiacutek Byly maleacute a draheacute (a tedy komerčně neefektivniacute) Zaacutejem NASA stejně jako energetickaacute krize v roce 1973 zvyacutešili zaacutejem o alternativniacute druhy ziacuteskaacutevaacuteniacute energie a tiacutem došlo k překotneacutemu vyacutevoji v oblasti palivovyacutech člaacutenků Předevšiacutem diacuteky tomuto tlaku našly tyto člaacutenky uacutespěšneacute uplatněniacute v různorodyacutech aplikaciacutech

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků Palivoveacute člaacutenky zpracovaacutevajiacute pouze čistyacute vodiacutek Teoreticky pracujiacute bez škodlivyacutech laacutetek Produktem reakce jsou kromě elektrickeacute energie takeacute vodaa teplo V přiacutepadě že palivoveacute člaacutenky využiacutevajiacute plynnou reformačniacute směs bohatou na vodiacutek vznikajiacute škodliveacute zplodiny avšak těchto zplodin je meacuteně než těch ktereacute vznikajiacute v přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem využiacutevajiacuteciacutech jako zdroj energie konvenčniacute fosilniacute paliva Motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem ktereacute spalujiacute směsi chudeacute na vodiacutek a vzduch jsou rovněž schopneacute dosaacutehnout niacutezkeacute hladiny škodlivin avšak u těchto strojů dochaacuteziacute současně ke spalovaacuteniacute mazaciacuteho oleje což maacute za naacutesledek naacuterůst škodlivyacutech emisiacute Palivoveacute člaacutenky pracujiacute s vyššiacute termodynamickou uacutečinnostiacute než tepelneacute motory Tepelneacute motory přeměňujiacute chemickou energii na teplo prostřednictviacutem spalovaacuteniacute a využiacutevajiacute toho že teplo konaacute praacuteci Se zvyacutešeniacutem teploty horkeacuteho plynu vstupujiacuteciacuteho do motoru a se sniacuteženiacutem teploty chladneacuteho plynu po expanzi se zvyacutešiacute i termodynamickaacute uacutečinnost Teoreticky lze tedy navyacutešit horniacute teplotu libovolnyacutem množstviacutem tepla dle požadovaneacute termodynamickeacute uacutečinnosti zatiacutemco dolniacute hranice teploty nemůže nikdy klesnout pod teplotu okoliacute Avšak ve skutečnyacutech tepelnyacutech motorech je horniacute teplota limitovaacutena použityacutemi materiaacutely Kromě toho motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem majiacute vstupniacute teplotu rovnu pracovniacute teplotě kteraacute je mnohem nižšiacute než teplota vzplanutiacute Palivoveacute člaacutenky nepoužiacutevajiacute proces spalovaacuteniacute jejich uacutečinnost neniacute spjata s jejich maximaacutelniacute provozniacute teplotou Vyacutesledkem je že uacutečinnost přeměny energie může byacutet vyacuterazně většiacute než skutečnaacute reakce spalovaacuteniacute Kromě vyššiacute relativniacute tepelneacute uacutečinnosti palivoveacute člaacutenky vykazujiacute takeacute vyššiacute uacutečinnost oproti tepelnyacutem motorům při jejich čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky nevykazujiacute ostreacute propady v uacutečinnosti jak je tomu v přiacutepadě velkyacutech elektraacuteren Tepelneacute motory dosahujiacute nejvyššiacute uacutečinnosti při praacuteci v navrhovaneacutem provozniacutem stavu a vykazujiacute rapidniacute poklesy uacutečinnosti při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky majiacute vyššiacute uacutečinnost při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute než při zatiacuteženiacute plneacutem Takeacute změny uacutečinnosti jsou v celeacutem provozniacutem rozsahu menšiacute Palivoveacute člaacutenky vykazujiacute dobreacute dynamickeacute charakteristiky Stejně jako baterie jsou takeacute palivoveacute člaacutenky pevnaacute statickaacute zařiacutezeniacute kteraacute reagujiacute na změny v elektrickeacute

47

zaacutetěži okamžitě změnami chemickyacutemi Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute na čistyacute vodiacutek majiacute vynikajiacuteciacute celkovou odezvu Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute s reformaacutetem (nejčastěji palivo na baacutezi uhlovodiacuteků) a využiacutevajiacute palubniacute reformer mohou miacutet tuto odezvu pomalou zvlaacuteště při použitiacute techniky parniacuteho reformingu (metoda zpracovaacuteniacute reformaacutetu nejčastěji za vzniku vodiacuteku a oxidů uhliacuteku) V přiacutepadě použitiacute palivovyacutech člaacutenků jako generaacutetorů elektrickeacute energie vyžadujiacute tyto člaacutenky meacuteně energetickyacutech přeměn než tepelneacute motory Jestliže budou použity jako zdroje mechanickeacute energie potom požadujiacute stejneacute množstviacute přeměn ačkoliv jednotliveacute transformace se odlišujiacute od těch jež probiacutehajiacute v přiacutepadě tepelnyacutech motorů Palivoveacute člaacutenky jsou vhodneacute pro mobilniacute aplikace pracujiacuteciacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech (typickeacute jsou teploty nižšiacute než 100 degC) Provoz při nižšiacutech teplotaacutech se vyznačuje většiacute bezpečnostiacute a kraacutetkyacutem zahřiacutevaciacutem časem Naviacutec termodynamickaacute uacutečinnost elektrochemickeacute reakce je podstatně vyššiacute než uacutečinnost přeměny energie chemickyacutech vazeb na energii elektrickou pomociacute tepelnyacutech motorů Nevyacutehodou se však jeviacute obtiacutežnyacute odvod odpadniacuteho tepla kteryacute musiacute byacutet zajištěn většiacutem chladiacuteciacutem systeacutemem a i přes vysokeacute provozniacute teploty pomalyacute proces elektrochemickeacute reakce Palivoveacute člaacutenky mohou byacutet použity v kogeneračniacutech aplikaciacutech Kromě elektrickeacute energie produkujiacute palivoveacute člaacutenky takeacute čistou horkou vodu a teplo Palivoveacute člaacutenky nevyžadujiacute dobiacutejeniacute avšak musiacute mu byacutet dodaacutevaacuteno palivo což je ovšem mnohem rychlejšiacute než dobiacutejeniacute bateriiacute Mohou takeacute poskytovat většiacute rozsah (delšiacute doba poskytovaacuteniacute elektrickeacute energie) v zaacutevislosti na velikost naacutedrže s palivem a oxidantem Palivoveacute člaacutenky majiacute niacutezkeacute opotřebeniacute a vysokou životnost (někteřiacute vyacuterobci udaacutevajiacute až desetitisiacutece hodin) Nejsou přiacutetomny pohybliveacute čaacutesti z čehož vyplyacutevaacute tichyacute chod palivovyacutech člaacutenků a schopnost snaacutešet i značnaacute přetiacuteženiacute Proti klasickyacutem elektrochem akumulaacutetorům použiacutevanyacutem v současnyacutech elektromobilech majiacute palivoveacute člaacutenky vyššiacute dojezdovou vzdaacutelenost Vyřazeneacute palivoveacute člaacutenky na rozdiacutel od akumulaacutetorů nezatěžujiacute životniacute prostřediacute těžkyacutemi kovy

42 Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků

Vodiacutek kteryacute je ekologicky prospěšnyacute se velmi obtiacutežně vyraacutebiacute a uskladňuje Současneacute vyacuterobniacute procesy jsou draheacute a energeticky naacuteročneacute naviacutec často vychaacutezejiacute z fosilniacutech paliv Efektivniacute infrastruktura dodaacutevky vodiacuteku nebyla ještě ani vytvořena Systeacutemy uskladňujiacuteciacute plynnyacute vodiacutek se vyznačujiacute obrovskyacutemi rozměry a obtiacutežnyacutem přizpůsobeniacutem energeticky niacutezkeacute objemoveacute hustotě vodiacuteku Systeacutemy uskladňujiacuteciacute tekutyacute vodiacutek jsou mnohem menšiacute a lehčiacute ovšem musiacute byacutet provozovaacuteny za kryogenniacutech teplot Možnost představuje takeacute uskladněniacute vodiacuteku pomociacute uhlovodiacuteků a alkoholů odkud může byacutet uvolňovaacuten dle požadavku diacuteky palubniacutemu reformeru Je pravdou že toto uskladněniacute manipulaci s vodiacutekem zjednodušiacute avšak některeacute ekologickeacute vyacutehody budou nenaacutevratně ztraceny (praacutevě diacuteky využitiacute uhlovodiacuteků či alkoholů a s tiacutem souvisejiacuteciacute emise COx) Palivoveacute člaacutenky požadujiacute čisteacute palivo bez specifickyacutech znečišťujiacuteciacutech laacutetek Tyto laacutetky jako jsou siacutera a uhliacutekoveacute sloučeniny či zbytkovaacute tekutaacute paliva (v zaacutevislosti na typu palivoveacuteho člaacutenku) mohou poškodit katalyzaacutetor palivoveacuteho člaacutenku čiacutemž přestaacutevaacute samotnyacute člaacutenek fungovat V přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem nezpomaluje ani jedna z těchto škodlivyacutech laacutetek samotnyacute proces spalovaacuteniacute

48

Palivoveacute člaacutenky se hodiacute pro automobiloveacute aplikace Ty jsou typickeacute svyacutem požadavkem platinoveacuteho katalyzaacutetoru pro podporu reakce při ktereacute se vyraacutebiacute elektrickaacute energie Platina je vzaacutecnyacute kov a je velmi drahaacute Za diacutelčiacute nevyacutehody lze poklaacutedat i skutečnost že vyacutekon odebiacuteranyacute z 1 cm2 elektrod je zatiacutem niacutezkyacute Palivoveacute člaacutenky produkujiacute v průběhu vyacuteroby elektrickeacute energie čistou vodu Většina palivovyacutech člaacutenků vhodnyacutech pro automobiloveacute aplikace takeacute využiacutevaacute jako reaktanty vlhkeacute plyny I nepatrnaacute zbytkovaacute voda v palivoveacutem člaacutenku může přitom způsobit nevratnou zničujiacuteciacute expanzi v přiacutepadě vystaveniacute mrazu Při provozu vyraacutebějiacute palivoveacute člaacutenky dostatečneacute teplo zabraňujiacuteciacute mrznutiacute při okolniacutech teplotaacutech pod bodem mrazu V přiacutepadě že jsou za mraziveacuteho počasiacute palivoveacute člaacutenky vypnuty musiacute byacutet trvale vyhřiacutevaacuteny či z nich musiacute byacutet kompletně odstraněna zbytkovaacute voda před tiacutem než člaacutenek zmrzne Z tohoto důvodu musiacute byacutet dopravniacute prostředek převezen do zahřiacutevaciacuteho zařiacutezeniacute nebo je nezbytně nutneacute instalovat v jeho bliacutezkosti horkovzdušneacute ohřiacutevaciacute zařiacutezeniacute Palivoveacute člaacutenky vyžadujiacute kontinuaacutelniacute odstraňovaniacute zplodin chemickyacutech reakciacute jejichž množstviacute zaacutevisiacute na velikosti odebiacuteraneacuteho proudu (odčerpaacutevaacuteniacute vody vodniacute paacutery či produktů oxidace) vyžadujiacute takeacute složiteacute řiacutediacuteciacute systeacutemy a uvedeniacute do provozu může trvat několik minut

43 Princip funkce palivovyacutech člaacutenků

Palivovyacute člaacutenek je ve sveacute podstatě zařiacutezeniacute ktereacute produkuje elektřinu po celou dobu kdy je mu dodaacutevaacuteno palivo V palivoveacutem člaacutenku dochaacuteziacute ke transformaci uloženeacute chemickeacute energie paliva do elektrickeacute energie Rozdiacutel mezi spalovaciacutem motorem a palivovyacutem člaacutenkem je daacuten rozdiacutelnyacutem způsobem přeměny energie Ve spalovaciacutem motoru dochaacuteziacute ke spaacuteleniacute paliva naacutesledneacutemu uvolněniacute tepla Teplo je daacutele přeměněno na mechanickou energii a teprve mechanickaacute energie je přeměněna na energii elektrickou Každaacute přeměna v tomto cyklu maacute za naacutesledek určitou ztraacutetu energie V kontrastu s tiacutemto cyklem palivoveacute člaacutenky fungujiacute velmi jednoduše a efektivně K produkci elektřiny dochaacuteziacute pomociacute chemickeacute reakce V jednoducheacutem palivoveacutem člaacutenku probiacutehajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 rarr 2H + + 2eminus

12O2 + 2H

+ + 2eminus rarr H2O

Protony prochaacuteziacute elektrolytem a na katodě se spojiacute s kysliacutekem nejčastěji vzdušnyacutem a utvořiacute tak vodu Elektrony jsou směrovaacuteny externiacutem okruhem kde vytvaacuteřejiacute stejnosměrneacute proud Tyto zařiacutezeniacute mohou dosaacutehnout uacutečinnost až 40 Palivoveacute člaacutenky jsou schopny pracovat nejen s čistyacutem vodiacutekem ale takeacute s reformovanyacutemi palivy jako je metan jelikož v nich neniacute oxid uhličityacute Vyacutekon systeacutemu palivovyacutech člaacutenků může byacutet popsaacuten zaacutevislostiacute proudu a napětiacute Je prezentovaacuten ve formě grafu nazvanyacutem proud-napěťovaacute křivka Vyacutestupniacute napětiacute je funkciacute proudu normalizovaneacute plochou člaacutenku udaacutevajiacuteciacute proudovou hustotu Ideaacutelniacute palivovyacute člaacutenek by dodal jakeacutekoliv množstviacute proudu při udrženiacute konstantniacuteho napětiacute určeneacuteho termodynamikou procesu V opravdoveacutem světě je skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute nižšiacute než termodynamicky určeneacute napětiacute ideaacutelniacute tento rozdiacutel je způsoben nevyhnutelnyacutemi ztraacutetami v systeacutemu Ztraacutety jsou kompenzovaacuteny dodaniacutem vyššiacuteho proudu palivovyacutem člaacutenkem

49

Čiacutem většiacute množstviacute proudu je potřeba ziacuteskat z palivovyacutech člaacutenků tiacutem většiacute jsou nevratneacute ztraacutety způsobujiacuteciacute pokles vyacutestupniacuteho napětiacute Existujiacute 3 hlavniacute typy ztraacutet v palivovyacutech člaacutenciacutech

1 Aktivačniacute ztraacutety - v důsledku elektrochemickeacute reakce2 Odporoveacute ztraacutety - v důsledku iontoveacuteho a elektronoveacuteho vedeniacute3 Koncentračniacute ztraacutety - v důsledku pohybu hmoty

Vyacutestupniacute napětiacute je tedy funkciacute termodynamicky předpoklaacutedaneacuteho napětiacute a jednotlivyacutech zraacutet a může byacutet vyjaacutedřeno naacutesledovně

V = Ethermo minusηakt minusηodp minusηkonc

kde V - skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute Ethermo - termodynamicky určeneacute napětiacute ηakt - aktivačniacute ztraacutety ηodp - odporoveacute ztraacutety ηkonc - koncentračniacute ztraacutety Vyacutekon palivoveacuteho člaacutenku je pak určen podle vztahu

P = i sdotVkde P - vyacutekon [W] i - proudovaacute hustota [Acm2] V - napětiacute [V] Dalšiacute charakteristikou palivoveacuteho člaacutenku je křivka vyacutekonoveacute hustoty kteraacute ukazuje vyacutekonovou hustotu dodanou palivovyacutem člaacutenkem jako funkci proudoveacute hustoty Schematicky je tato zaacutevislost znaacutezorněna na obraacutezku 18

Obr 18 Křivka vyacutekonoveacute hustoty [8]

Vyacutekonovaacute hustota palivoveacuteho člaacutenku roste s rostouciacute proudovou hustotou dosaacutehne maxima a poteacute dochaacuteziacute k poklesu při staacutele vysokeacute proudoveacute hustotě Palivoveacute člaacutenky jsou navrhovaacuteny pro praacuteci v nebo těsně pod maximem vyacutekonoveacute hustoty Při proudoveacute hustotě pod maximem vyacutekonoveacute hustoty se zlepšuje uacutečinnost

50

napětiacute ale klesaacute vyacutekonovaacute hustota Při proudoveacute hustotě vyššiacute než je maximum vyacutekonoveacute hustotě klesaacute uacutečinnost napětiacute a vyacutekonovaacute hustota Potenciaacutel systeacutemu vykonaacutevat elektrickou praacuteci je měřen pomociacute napětiacute normaacutelniacuteho stavu vratneacuteho napětiacute je

E0 = minus Δgrxn0

n sdotFkde Δg0rxn je změna Gibssovy volneacute energie n počet molů přenesenyacutech elektronů F Faradayova konstanta Při standardniacutech podmiacutenkaacutech je maximaacutelniacute napětiacute ziacuteskaneacute pro vodiacuteko-kysliacutekoveacute palivo rovnu 123 V Pro ziacuteskaacuteniacute použitelneacuteho napětiacute jsou tak palivoveacute člaacutenky spojovaacuteny do seacuteriiacute Vratneacute napětiacute palivoveacuteho člaacutenku vysoce na provozniacutech podmiacutenkaacutech jako je teplota tlak a chemickaacute aktivita Korelace napětiacute a teploty je reprezentovaacutena naacutesledujiacuteciacute rovniciacute

dEdT

= Δsn sdotF

kde Δs je změna entropie pro palivoveacute člaacutenky je entropie negativniacute vratneacute napětiacute maacute potom tendenci klesat s rostouciacute teplotou Napětiacute se měniacute se změnou tlaku podle vztahu

dEdp

= minus Δvn sdotF

kde Δv je změna objemu Změna vratneacuteho napětiacute s tlakem je spojena se změnou objemu reakce Pokud je změna objemu reakce zaacutepornaacute potom napětiacute roste s rostouciacutem tlakem Tlak a teplota majiacute minimaacutelniacute vliv na vratneacute napětiacute Chemickaacute aktivita maacute vyacuteznamnějšiacute vliv kteryacute se daacute určit pomociacute Nernstovi rovnice

E = E0 minus R sdotTn sdotF

lnaprodviprodareakviprod

Nernstova rovnice uvaacutediacute vztah mezi ideaacutelniacutem standardniacutem potenciaacutelem E0

pro reakci ve člaacutenku ideaacutelniacute rovnovaacutehou potenciaacutelu E při jinyacutech teplotaacutech a parciaacutelniacutem tlaku reaktantů a produktu Jakmile je znaacutem ideaacutelniacute standardniacute potenciaacutel lze určit i ideaacutelniacute napětiacute pro různeacute teploty a tlaky podle Nernstovi rovnice Z teacuteto rovnice pro vodiacutekovou reakci plyne že ideaacutelniacute potenciaacutel člaacutenku při daneacute teplotě může byacutet zvyacutešen pomociacute provozu za vyššiacuteho tlaku reaktantů Nernstova rovnice plně nevysvětluje vliv teploty

44 Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků

Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je funkce napětiacute člaacutenku Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je

ε termo =ΔGΔH

kde ΔG je Gibbsova volnaacute energie ΔH je entalpie Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku určena z tohoto vztahu se rovnaacute 83 Skutečneacute napětiacute při provozu palivoveacuteho člaacutenku je menšiacute než reversibilniacute potenciaacutel to maacute za naacutesledek že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vždy nižšiacute než teoretickaacute Tento jev je způsoben ztraacutetami při využitiacute paliva a ztraacutetami napětiacute Skutečnou uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku můžeme určit ze vztahu

51

ε skut = ε termo sdotεnapeti sdotε palivo

kde εtermo je reversibilniacute termodynamickaacute uacutečinnost člaacutenku εnapeti je uacutečinnost napětiacute a εpalivo ztraacutety při utilizaci paliva Uacutečinnost napětiacute zahrnuje ztraacutety způsobeny nevratnyacutem kinetickyacutem efektem v palivoveacutem člaacutenku Je to poměr mezi provozniacutem napětiacute palivoveacuteho člaacutenku V a termodynamickeacuteho reversibilniacuteho napětiacute člaacutenku E

εnapeti =VE

Uacutečinnost utilizace paliva vyjadřuje fakt že ne všechno palivo dodaneacute do člaacutenku se bude podiacutelet na elektrochemickeacute reakci Uacutečinnost je poměr paliva použiteacuteho na produkci daneacuteho množstviacute elektrickeacute energie ku celkoveacutemu množstviacute paliva dodaneacuteho do palivoveacuteho člaacutenku kde i je proud generovaacuten palivovyacutem člaacutenkem a vpalivo je rychlost dodaacutevaacuteniacute paliva do člaacutenku [molsec]

ε palivo =i n sdotFvpalivo

Kombinaciacute vztahů pro jednotliveacute uacutečinnosti dostaneme naacutesledujiacuteciacute vztah pro skutečnou uacutečinnost člaacutenku

ε skut =Δg

ΔhHHVsdotVEsdot i n sdotFvpalivo

Na obraacutezku 19 je porovnaacuteniacute uacutečinnostiacute jednotlivyacutech metod vyacuteroby elektrickeacute energie Z obraacutezku je jasně patrneacute že celkovaacute uacutečinnost palivovyacutech člaacutenku převyšuje ostatniacute způsoby vyacuteroby elektrickeacute energie

Obr 19 Uacutečinnost vyacuteroby elektrickeacute energie [8]

52

45Typy palivovyacutech člaacutenků

Jednotliveacute typy palivovyacutech člaacutenků se lišiacute předevšiacutem typem použiteacuteho elektrolytu Typ elektrolytu určuje provozniacute teplotu jež se pro různeacute typy palivovyacutech člaacutenků vyacuterazně lišiacute

451 Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech vyššiacutech než 600 degC (1100degF) Tyto vysokeacute teploty umožňujiacute samovolnyacute vnitřniacute reforming lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv jako je metan ndash na vodiacutek a uhliacutek za přiacutetomnosti vody Reakce probiacutehajiacuteciacute na anodě za podpory nikloveacuteho katalyzaacutetoru poskytuje dostatek tepla požadovaneacuteho pro proces parniacuteho reformingu Vnitřniacute reforming odstraňuje potřebu samostatneacuteho zařiacutezeniacute na zpracovaacuteniacute paliva a umožňuje palivoveacutemu člaacutenku zpracovaacutevat i jinaacute paliva než čistyacute vodiacutek Tyto vyacuteznamneacute vyacutehody vedou k naacuterůstu celkoveacute uacutečinnosti teacuteměř o 15 Během naacutesledujiacuteciacute elektrochemickeacute reakce je uvolňovaacutena chemickaacute energie kterou palivovyacute člaacutenek zpracovaacutevaacute Tato chemickaacute energie pochaacuteziacute z reakce mezi vodiacutekem a kysliacutekem při ktereacute vznikaacute voda Z reakce mezi oxidem uhelnatyacutem a kysliacutekem jejiacutemž produktem je oxid uhličityacute Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky produkujiacute takeacute vysokopotenciaacutelniacute odpadniacute teplo jež může byacutet použito pro uacutečely kogenerace Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky reagujiacute velmi snadno a bez potřeby drahyacutech katalyzaacutetorů z ušlechtilyacutech kovů Množstviacute energie uvolněneacute elektrochemickou reakciacute klesaacute s rostouciacute provozniacute teplotou člaacutenku Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky jsou naacutechylneacute na materiaacuteloveacute poruchy Maleacute množstviacute materiaacutelu je schopno po dlouho dobu při vysokyacutech teplotaacutech pracovat bez degradace Vysokoteplotniacute provoz neniacute vhodnyacute pro rozsaacutehleacute vyacuteroby nebo pro aplikace kde je požadovaacuten rychlyacute start zařiacutezeniacute Současneacute aplikace teacuteto metody se zaměřujiacute na stacionaacuterniacute elektraacuterenskeacute zdroje Nejvyacuteznamnějšiacutemi vysokoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů tzv MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů využiacutevajiacute elektrolytu kteryacute je schopen přenaacutešet uhličitanoveacute ionty CO3 2- od katody k anodě Elektrolyt se sklaacutedaacute z roztaveneacute směsi uhličitanu lithia a uhličitanu draselneacuteho Směs je udržovaacutena pomociacute kapilaacuterniacutech sil v keramickeacute podpůrneacute mřiacutežce z hlinitanu litneacuteho Při provozniacute teplotě se struktura elektrolytu změniacute na stav podobnyacute pastě kteraacute umožňuje uacuteniky plynů na okrajiacutech člaacutenku Tyto palivoveacute člaacutenky pracujiacute s teplotami okolo 650 degC a tlaky v rozmeziacute relativniacutech hodnot 1 až 10 barů Každyacute člaacutenek je schopen produkovat stejnosměrneacute napětiacute mezi 07 a 1 V Princip fungovaacuteniacute tohoto člaacutenku je na obraacutezku 20

53

Obr 20 Scheacutema člaacutenku MCFC [8]

Palivoveacute člaacutenky na baacutezi tekutyacutech uhličitanů jsou schopneacute provozu při zaacutesobovaacuteniacute jak čistyacutem vodiacutekem tak lehkyacutemi uhlovodiacutekovyacutemi palivy Palivo napřiacuteklad metan je dopraveno na anodu za přiacutetomnosti vody přijme teplo a podstoupiacute reakci parniacuteho reformingu

CH 4 + H2Orarr 3H2 +CO Pokud bude jako palivo použit jinyacute lehkyacute uhlovodiacutek potom se může počet molekul vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho změnit ale produkty reakce jsou v podstatě vždy stejneacute Reakce na anodě molekuly vodiacuteku s uhličitanovyacutem iontem probiacutehaacute bez ohledu na druh použiteacuteho paliva a vypadaacute naacutesledovně

H2 +CO32minus rarr H2O +CO2 + 2e

minus

Reakce probiacutehajiacuteciacute na katodě a to kysliacuteku s oxidem uhličityacutem probiacutehaacute opět bez ohledu na druhu paliva

O2 + 2CO2 + 4eminus rarr 2CO3

2minus

Iont CO3 2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě Dochaacuteziacute k reakci iontu CO3 2- jak s vodiacutekem tak oxidem uhelnatyacutem Elektrony prochaacutezejiacute přes elektrickou zaacutetěž nachaacutezejiacuteciacute se ve vnějšiacute čaacutesti elektrickeacuteho obvodu od anody ke katodě Celkovaacute reakce na člaacutenku je tedy

2H2 +O2 rarr 2H2O Vyacuteslednaacute reakce oxidu uhelnateacuteho ke ktereacute dochaacuteziacute pouze v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Produktem palivoveacuteho člaacutenku bez ohledu na palivo je voda V přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva je kromě vody produktem takeacute oxid uhličityacute Pro zajištěniacute plynulosti zajištěniacute kvality elektrochemickeacute reakce musiacute byacutet oba produkty plynule odvaacuteděny z katody člaacutenku

54

Mezi hlavniacute vyacutehody palivovyacutech člaacutenků s tekutyacutemi uhličitany patřiacute podpora samovolneacuteho vnitřniacuteho reformingu lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv vyacuteroba vysoko-potenciaacutelniacuteho tepla Samotnaacute reakce nepotřebuje katalyzaacutetory z ušlechtilyacutech kovů maacute velmi dobrou kinetiku a uacutečinnost Palivoveacute člaacutenky ovšem takeacute traacutepiacute mnoho nevyacutehod a provozniacutech omezeniacute Je potřeba vyvinou materiaacutely odolneacute vůči korozi při vysokyacutech teplotaacutech s malyacutem součinitelem objemoveacute roztažnosti ktereacute jsou vysoce mechanicky a tepelně odolneacute a jejichž vyacuteroba je technicky možnaacute Koroze je největšiacute probleacutem těchto člaacutenků Koroze způsobuje oxidaci niklu katody a jeho rozpuštěniacute v elektrolytu to může způsobit zhoršeniacute stavu separaacutetoru vysušeniacute či zaplaveniacute elektrod Korozniacute vlivy způsobujiacute pokles vyacutekonu a zkraacuteceniacute životnosti člaacutenku Rozměrovaacute nestaacutelost způsobenaacute objemovou roztažnostiacute může způsobit zničeniacute elektrod ktereacute změniacute povrch aktivniacute oblasti to může miacutet za naacutesledek ztraacutetu kontaktu a vysokyacute odpor mezi jednotlivyacutemi čaacutestmi člaacutenku Tekutyacute elektrolyt přinaacutešiacute probleacutemy s manipulaciacute člaacutenku Největšiacute nevyacutehodou je dlouhaacute doba potřebnaacute k rozběhu tento fakt tyto člaacutenky odsoudil do pozice použiacutevaacuteniacute pouze ve stacionaacuterniacutech aplikaciacutech

4511 Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů SOFC

Palivoveacute člaacutenky použiacutevajiacute elektrolyt schopnyacute veacutest kysliacutekoveacute ionty O-2 od katody k anodě je to opačnyacute směr než u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků jež vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je tvořen z pevnyacutech oxidů ktereacute majiacute podobu keramiky obvykle zirkonia (stabilizovaneacuteho dalšiacutemi oxidy kovů vzaacutecnyacutech zemin jako je ytrium) Člaacutenky jsou sestavovaacuteny postupnyacutem uklaacutedaacuteniacutem různyacutech vrstev materiaacutelu Běžnaacute uspořaacutedaacuteniacute použiacutevajiacute trubicoveacute či plocheacute tvary jednotlivyacutech člaacutenků Tvary ovlivňujiacute povrch člaacutenku a takeacute těsněniacute člaacutenku a to nejen v důsledku průsaku mezi kanaacutelky paliva a oxidantu ale takeacute vlivem elektrickeacuteho zapojeniacute jednotlivyacutech člaacutenků do bloku Pro materiaacutel elektrod mohou byacutet použity kovy typu niklu a kobaltu Palivoveacute člaacutenky SOFC pracujiacute s teplotami okolo 1000degC a relativniacutemi tlaky kolem 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 08 až 10 V

Obr 21 Scheacutema SOFC [18]

55

Palivoveacute člaacutenky mohou stejně jako MCFC člaacutenky pracovat jak s čistyacutem vodiacutekem tak uhlovodiacutekovyacutemi palivy Vstupniacute palivo se potom sklaacutedaacute jak z vodiacuteku tak z oxidu uhelnateacuteho Reakce na anodě jsou naacutesledujiacuteciacute

H2 +Ominus2 rarr H2O + 2eminus

CO +O2minus rarrCO2 + 2eminus

Reakce na katodě 1 2O2 + 2e

minus rarrO2minus

Iont O2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě vlivem chemickeacute přitažlivosti vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho Uvolněneacute elektrony prochaacutezejiacute vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě V tomto přiacutepadě se ionty pohybujiacute od katody k anodě což je opačnyacute pohyb než probiacutehaacute u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků Produkty reakciacute se tedy hromadiacute spiacuteše na anodě než na katodě Po spojeniacute reakciacute na anodě a katodě můžeme psaacutet vyacutesledneacute reakce člaacutenku

H2 +1 2O2 rarr H2OCO +1 2O2 rarrCO2

Palivoveacute člaacutenky SOFC tedy produkujiacute vodu bez ohledu na použiteacute palivo oxid uhličityacute v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet oba druhy reagentů plynule odvaacuteděny z katody Mezi hlavniacute vyacutehody těchto člaacutenků patřiacute opět umožněniacute samovolneacuteho reformingu uhlovodiacutekovyacutech paliv jelikož ionty kysliacuteku prochaacutezejiacute přes elektrolyt leacutepe než ionty vodiacuteku mohou byacutet tyto člaacutenky použity k oxidaci plynneacuteho paliva Dokaacutežiacute pracovat stejně dobře jak se suchyacutemi tak i vlhkyacutemi palivy Majiacute stejně jako MCFC velkou kinetiku reakce a vysokou uacutečinnost V porovnanaacute s MCFC člaacutenky mohou pracovat s vyššiacute proudovou hustotou a pevnyacute elektrolyt umožňuje snadnějšiacute manipulaci a možnost vyacuteroby rozličnyacutech tvarů a uspořaacutedaacuteniacute Nepotřebujiacute katalyzaacutetor z ušlechtilyacutech kovů Hlavniacute nevyacutehody jsou opět spojeny s vyacutevojem vhodnyacutech materiaacutelů Je zde nutnost vyacutevoje vhodnyacutech materiaacutelů ktereacute majiacute požadovanou vodivost jak elektrickou tak tepelnou a ktereacute zachovaacutevajiacute pevneacute skupenstviacute i při vysokyacutech teplotaacutech jsou chemicky slučitelneacute (kompatibilniacute) s ostatniacutemi čaacutestmi člaacutenku jsou rozměrově staacuteleacute majiacute vysokou mechanickou odolnost a jejichž vyacuteroba je dostatečně technicky zvlaacutednuta Mnoho materiaacutelů je možno použiacutet pro vysokeacute teploty aniž by změnily svoje skupenstviacute na jineacute než pevneacute Vybraneacute materiaacutely musiacute byacutet dostatečně husteacute aby zabraacutenily promiacutechaacutevaacuteniacute paliva s oxidačniacutemi plyny a musiacute miacutet dostatečnou podobnost charakteristik tepelnyacutech roztažnostiacute aby nedošlo k jejich štěpeniacute na vrstvy a k jejich praskaacuteniacute během tepelneacuteho cyklu SOFC palivoveacute člaacutenky jsou citliveacute na přiacutetomnost siacutery v palivu kteraacute nesmiacute překročit hodnotu 500 ppm Celkově je ovšem zatiacutem technologie SOFC nedostatečně vyspělaacute

56

452Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute obvykle s teplotami nižšiacutemi než 250 degC Tyto niacutezkeacute teploty neumožňujiacute vnitřniacute reforming paliva v důsledku čehož vyžadujiacute niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky vnějšiacute zdroj vodiacuteku Na druhou stranu vykazujiacute rychlyacute rozběh zařiacutezeniacute a trpiacute menšiacute poruchovostiacute konstrukčniacutech materiaacutelů Jsou takeacute mnohem vhodnějšiacute pro aplikace v dopravě Nejvyacuteznamnějšiacutemi niacutezkoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC alkalickeacute palivoveacute člaacutenky AFC palivoveacute člaacutenky s protonovou membraacutenou PEM FC a palivoveacute člaacutenky s přiacutemyacutem zpracovaacuteniacutem methanolu DMFC

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute s elektrolytem jenž je schopnyacute veacutest hydroxidoveacute ionty od katody k anodě I tento typ se lišiacute od většiny niacutezkoteplotniacutech člaacutenků ktereacute vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je složen z roztaveneacute alkalickeacute směsi hydroxidu draselneacuteho Elektrolyt může byacutet jak pohyblivyacute tak i pevnyacute Palivoveacute člaacutenky s nepohyblivyacutemi elektrolytem použiacutevajiacute tuhyacute elektrolyt jež je udržovaacuten pohromadě pomociacute kapilaacuterniacutech sil uvnitř poreacutezniacute podpůrneacute krystalickeacute mřiacutežky kteraacute je tvořena azbestem Hmota samotnaacute zajišťuje těsněniacute proti uacuteniku plynů na okraji člaacutenku Produkovanaacute voda se odpařuje do proudu zdrojoveacuteho vodiacutekoveacuteho plynu na straně anody kde současně dochaacuteziacute k jejiacute kondenzaci Odpadniacute teplo je odvaacuteděno přes obiacutehajiacuteciacute chladivo Alkalickeacute člaacutenky pracujiacute v rozmeziacute teplot 65 až 220degC a při relativniacutem tlaku okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vytvaacuteřet stejnosměrneacute napětiacute mezi 11 až 12 V Zjednodušeneacute scheacutema je na obraacutezku 22

Obr 22 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [18]

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky musiacute pracovat pouze s čistyacutem vodiacutekem bez přiacuteměsi oxidů uhliacuteku Na anodě se odehraacutevajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 + 2K+ + 2OH minus rarr 2K + 2H2O

2Krarr 2K + + 2eminusReakce na katodě jsou tyto

57

1 2O2 + H2Orarr 2OH

2OH + 2eminus rarr 2OH minus

Hydroxidoveacute ionty OH- prochaacutezejiacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem chemickeacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny obiacutehat vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě Sloučeniacutem anodovyacutech a katodovyacutech reakciacute můžeme napsat celkoveacute reakce pro alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

H2 + 2OHminus rarr 2H2 + 2e

minus

1 2O2 + H2O + 2eminus rarr 2OH minus

Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek produkuje vodu jež se odpařuje do proudu vstupujiacuteciacuteho vodiacuteku (v přiacutepadě systeacutemů s nepohyblivyacutem elektrolytem) či je odvaacuteděna z palivoveacuteho člaacutenku s elektrolytem (u systeacutemů s pohyblivyacutem elektrolytem) Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet tato voda z člaacutenku odvaacuteděna plynule Mezi vyacutehody AFC člaacutenků patřiacute niacutezkaacute provozniacute teplota rychleacute startovaciacute časy (při teplotě rovneacute teplotě okoliacute jsou schopny dodat 50 jmenoviteacuteho vyacutekonu) Člaacutenek je vysoce uacutečinnyacute a spotřebovaacutevaacute minimaacutelniacute množstviacute platinoveacuteho katalyzaacutetoru AFC se vyznačuje malou hmotnostiacute a objemem minimaacutelniacute koroziacute a relativně jednoduchyacutem provozem Mezi nevyacutehody patřiacute potřeba čisteacuteho vodiacuteku jako paliva relativně kraacutetkaacute životnost a potřeba složiteacuteho systeacutemu vodniacuteho hospodaacuteřstviacute Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem tvořenyacutem kapalnou kyselinou fosforečnou je schopen veacutest vodiacutekoveacute ionty (protony) H+ od anody směrem ke katodě Kyselina fosforečnaacute se nachaacuteziacute uvnitř krystalickeacute mřiacutežky tvořeneacute karbidem křemiacuteku (některeacute palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyselin použiacutevajiacute jako elektrolyt kyselinu siacuterovou) PAFC člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech od 150 do 205degC a s relativniacutem tlakem okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 11 V U PAFC člaacutenků reaguje vodiacutek s kysliacutekem Reakci na anodě můžeme popsat naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

Reakce na katodě maacute potom tento tvar1 2O2 + 2e

minus + 2H + rarr H2O Proton vodiacuteku prochaacuteziacute elektrolytem od anody směrem ke katodě na zaacutekladě přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny prochaacutezet vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem v opačneacutem směru Sloučeniacutem anodoveacute a katodoveacute reakce ziacuteskaacuteme obecnou reakci pro člaacutenek kterou můžeme popsat2H2 +O2 rarr 2H2O PAFC člaacutenky produkujiacute voda kteraacute se hromadiacute na katodě Abychom zajistili dostatečnou kvalitu reakce musiacute byacutet produktovaacute voda postupně ze člaacutenku odvaacuteděnaPAFC člaacutenky jsou schopny sneacutest vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho v palivu (až 30) a proto PAFC nepožadujiacute čištěniacute vzduchu jako okysličovadla a reformaacutetoru jako paliva Pracujiacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech i tak jsou tyto teploty o něco vyššiacute než u ostatniacutech niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenciacutech proto produkujiacute odpadniacute teplo o vyššiacutem potenciaacutelu ktereacute může byacutet využito v kogeneračniacutech aplikaciacutech

58

PAFC člaacutenky jsou naacutechylneacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu kteryacute nesmiacute přesaacutehnout 2 Daacutele jsou citliveacute na obsah siacutery v palivu maximaacutelniacute obsah siacutery by neměl překročit 50 ppm Tiacutem že se použiacutevaacute korozivniacute tekutyacute elektrolyt vznikajiacute probleacutemy s koroziacute konstrukčniacutech materiaacutelů PAFC jsou velkeacute a těžkeacute a nejsou schopny samostatneacuteho reformingu uhliacutekovyacutech paliv Je potřeba jednotku před provozem zahřaacutet a musiacute byacutet trvale udržovaacuteny na provozniacute teplotě Noveacute formy palivovyacutech člaacutenků s elektrolytem na baacutezi kyselin využiacutevajiacute pevnyacutech kyselinovyacutech elektrolytů Tyto člaacutenky jsou vyrobeny ze sloučenin typu CsHSO4 pracujiacute s teplotami až do 250 degC a s napětiacutem napraacutezdno (otevřeneacuteho obvodu) 111 V DC Daacutele nabiacutezejiacute vyacutehodu provozu bez vlhkosti při zmiacuterněniacute citlivosti na oxid uhelnatyacute a možnosti samostatneacuteho reformingu metanolu Trpiacute však degradaciacute vlivem obsahu siacutery velikou houževnatostiacute (tvaacuternostiacute) při teplotaacutech nad 125 degC a rozpustnostiacute ve vodě Vyacuterobniacute techniky pro praktickeacute využitiacute nebyly ještě vyvinuty

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami PEM FC

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (nebo teacutež člaacutenky s pevnyacutem polymerem) použiacutevajiacute elektrolyt jenž je schopnyacute veacutest protony H+ od anody ke katodě Elektrolyt je vytvořen z pevneacuteho polymerniacuteho filmu kteryacute se sklaacutedaacute z okyseleneacuteho teflonu Fyzicky je každyacute palivovyacute člaacutenek vytvořen z membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA - Membrane Electrode Assembly) jež se sklaacutedaacute z anody katody elektrolytu a katalyzaacutetorů Všechny čaacutesti jsou umiacutestěny mezi dvěma deskami vyrobenyacutemi z grafitu a označovanyacutemi jako bipolaacuterniacute desky (Flow Field Plates desky s kanaacutelky pro rozvod plynů paliva a okysličovadla) Tyto desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo k jednotlivyacutem stranaacutem membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA) Chladivo se použiacutevaacute k regulaci reakčniacute teploty palivoveacuteho člaacutenku Pro snadnějšiacute regulaci jsou mezi každyacute palivovyacute člaacutenek umiacutestěny chladiacuteciacute desky Tyto chladiacuteciacute desky rozvaacutedějiacute chladivo uvnitř palivoveacuteho člaacutenku za uacutečelem absorpce či dodaacutevky požadovaneacuteho tepla Těsněniacute mezi grafitovyacutemi deskami zajišťuje aby se proud okysličovadla paliva a chladiva uvnitř palivoveacuteho člaacutenku nepromiacutechal Elektrickeacute desky (koncoveacute elektrody člaacutenku) jsou umiacutestěny na uacuteplnyacutech konciacutech do seacuterie řazenyacutech bipolaacuterniacutech desek (Flow Field Plates) Tyto desky se spojujiacute se svorkami ze kteryacutech je ziacuteskaacutevaacutena elektrickaacute energie palivoveacuteho člaacutenku (stacku) V přiacutepadě velkyacutech palivovyacutech člaacutenků musiacute byacutet jednotliveacute desky stlačeny a sešroubovaacuteny dohromady pomociacute tyčiacute či spojeny jinyacutem mechanickyacutem způsobem Elektrody zprostředkovaacutevajiacute přechod mezi deskami s rozvodnyacutemi kanaacutelky a elektrolytem Musiacute umožnit průnik vlhkyacutem plynům poskytnout reakčniacute povrch v miacutestě styku s elektrolytem musiacute byacutet vodiveacute pro volneacute elektrony jež proteacutekajiacute od anody ke katodě a musiacute byacutet zkonstruovaacuteny ze vzaacutejemně slučitelnyacutech materiaacutelů Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute papiacuter s uhliacutekovyacutemi vlaacutekny poněvadž je poreacutezniacute hydrofobniacute (nesmaacutečivyacute) vodivyacute a nekorodujiacuteciacute Materiaacutel elektrod je velmi tenkyacute v důsledku maximalizace (vystupňovaacuteniacute) množstviacute dopravovaneacuteho plynu a vody Katalyzaacutetor se přidaacutevaacute na povrch každeacute elektrody na stranu elektrolytu za uacutečelem naacuterůstu rychlosti průběhu chemickeacute reakce Katalyzaacutetor podporuje chemickou reakci aniž by byl během teacuteto reakce spotřebovaacutevaacuten Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute platina neboť vykazuje vysokou elektro-katalytickou činnost chemickou stabilitu a elektrickou vodivost Platina je velmi drahaacute takže jejiacute množstviacute

59

(znaacutemeacute jako katalyzaacutetoroveacute naacuteklady) ovlivňuje cenu palivoveacuteho člaacutenku Konstrukteacuteři palivovyacutech člaacutenků usilujiacute o minimalizaci množstviacute použiteacute platiny za současneacuteho zachovaacuteniacute vyacutekonu palivoveacuteho člaacutenku Elektrolyt tvořiacute tenkaacute membraacutena z plastoveacuteho filmu jejiacutež tloušťka je obvykle od 50 do 175 microm (mikronů) Tyto membraacuteny se sklaacutedajiacute z fluorem dotovanyacutech siřičitanovyacutech kyselin ktereacute stejně jako teflonoveacute fluoro-uhliacutekoveacute polymery majiacute řetězec končiacuteciacute zbytkem kyseliny siřičiteacute (-SO3-2) Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami použiacutevajiacute totiž kyselyacute elektrolyt stejně jako palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute Všechny kyseleacute pevneacute elektrolyty vyžadujiacute přiacutetomnost molekul vody pro vodivost vodiacutekovyacutech iontů (protonů) poněvadž vodiacutekoveacute ionty se pohybujiacute společně s molekulami vody v průběhu vyacuteměnneacute iontoveacute reakce Podiacutel vody k vodiacutekovyacutem iontům u efektivniacute vodivosti je obvykle okolo 31 Z tohoto důvodu musiacute byacutet plyny v kontaktu s membraacutenou nasyceneacute vodou pro lepšiacute funkci palivoveacuteho člaacutenku Na molekulaacuterniacute uacuterovni maacute polymer trubicovitou strukturu ve ktereacute jsou skupiny siřičitanovyacutech kyselin na vnitřniacutem povrchu trubic Tyto skupiny poskytujiacute hydrofilniacute (majiacute přiacutechylnost k vodě lehce smaacutečitelneacute) potrubiacute pro vedeniacute vody Vnějšiacute čaacutesti trubic jsou z hydrofobniacuteho fluorovaneacuteho materiaacutelu Trubkoviteacute struktury se scvrkaacutevajiacute a přeskupujiacute s poklesy obsahu vody Při stlačovaacuteniacute (zužovaacuteniacute) těchto trubek během dehydratace rapidně klesaacute vodivost což vede k naacuterůstu odporu kontaktu mezi membraacutenou a elektrodou To může veacutest až k prasklinaacutem a diacuteraacutem v membraacuteně Všechny elektrolyty musiacute vykazovat zaacutekladniacute vlastnosti jimiž jsou vodič protonů elektronovyacute izolant (nejsou schopny veacutest elektrony) a separaacutetor plynů Vyacuterobci se takeacute snažiacute produkovat membraacuteny ktereacute majiacute odpoviacutedajiacuteciacute mechanickou pevnost rozměrovou staacutelost (odolnost vůči vybouleniacute) vysokou iontovou vodivost niacutezkou atomovou hmotnost (vaacuteha polymeru vztaženaacute k množstviacute kyselyacutech zbytků) a jsou snadno zhotovitelneacute Do jisteacute miacutery je možneacute mechanickou a rozměrovou staacutelost polymeru zajistit jeho včleněniacutem do membraacutenoveacuteho uskupeniacute jež poskytne podpůrnou strukturu

Obr 23 PEM člaacutenek firmy Horizon zdroj [19]

Bipolaacuterniacute desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo na obou vnějšiacutech stranaacutech membraacutenoveacuteho uskupeniacute Každaacute z těchto desek obsahuje kanaacutelky serpentinoviteacuteho tvaru ktereacute maximalizujiacute kontakt plynu s membraacutenovyacutem uspořaacutedaacuteniacutem Specifickyacute tvar kanaacutelků pro plyn je kritickyacute pro homogenniacute vyacuterobu elektrickeacute energie staacutelyacute vyacutekon člaacutenku a spraacutevnou funkci vodniacuteho hospodaacuteřstviacute člaacutenku Tvary bipolaacuterniacutech desek jsou vyraacuteběny v zaacutevislosti na použitiacute palivovyacutech člaacutenků Každaacute deska musiacute byacutet elektricky

60

vodivaacute Proud vznikajiacuteciacute během elektrochemickeacute reakce může teacuteci z jednoho člaacutenku do druheacuteho až k postranniacutem deskaacutem ze kteryacutech je elektrickaacute energie odebiacuteraacutena do vnějšiacuteho elektrickeacuteho obvodu Desky se obvykle vyraacutebějiacute z grafitu (uhliacuteku) přičemž kanaacutelky jsou vyrobeny technologiiacute obraacuteběniacute nebo lisovaacuteniacute Grafit se upřednostňuje jako materiaacutel pro svou vynikajiacuteciacute vodivost a relativně niacutezkeacute naacuteklady Je potřeba miacutet na paměti zvlhčovaacuteniacute reakčniacutech plynů v palivovyacutech člaacutenciacutech Bez zvlhčeniacute se nedosaacutehne požadovanaacute iontovaacute vodivost a může dojiacutet ke zničeniacute palivoveacuteho člaacutenku Množstviacute vody kteryacute je schopen plyn pojmout je zaacutevisleacute na teplotě při zvlhčovaacuteniacute Ciacutelem zvlhčovaacuteniacute je nasytit reakčniacute plyny co největšiacutem množstviacutem vodniacutech par Plyny jsou zvlhčovaacuteny při provozniacute teplotě palivoveacuteho člaacutenku Při zvlhčovaacuteniacute za vyššiacutech teplot může čaacutest vodniacutech par v palivoveacutem člaacutenku kondenzovat Vnitřniacute (interniacute) zvlhčovače se sklaacutedajiacute z přiacutedavnyacutech seacuteriiacutech grafitovyacutech desek začleněnyacutech do palivoveacuteho člaacutenku Tiacutemto dochaacuteziacute k rozděleniacute bloku palivoveacuteho člaacutenku na aktivniacute čaacutest kteraacute obsahuje palivoveacute člaacutenky a neaktivniacute čaacutest jež obsahuje desky zvlhčovače Desky zvlhčovače jsou obdobneacute bipolaacuterniacutem deskaacutem a využiacutevajiacute se k rozvodu plynu a vody po hydrofilniacute membraacuteně Voda se přemiacutesťuje přes membraacutenu a sytiacute omyacutevajiacuteciacute plyn Membraacuteny tohoto typu jsou již komerčně dostupneacute Vnitřniacute zvlhčovače odebiacuterajiacute vodu přiacutemo z chladiacuteciacuteho okruhu (z proudu chladiacuteciacuteho meacutedia) a vyuacutesťujiacute v jednoduchyacute integrovanyacute systeacutem s dobře propojenyacutemi teplotniacutemi charakteristikami Takoveacute uspořaacutedaacuteniacute předem vylučuje využitiacute jineacuteho chladiacuteciacuteho meacutedia než čisteacute vody Čistaacute voda naviacutec zhoršuje probleacutemy při startu palivoveacuteho člaacutenku neboť při niacutezkyacutech teplotaacutech může dojiacutet k jejiacutemu zamrznutiacute Kromě toho vede zakomponovaacuteniacute zvlhčovače do palivoveacuteho člaacutenku k naacuterůstu rozměrů palivoveacuteho člaacutenku a komplikuje jeho opravy neboť obě čaacutesti musiacute byacutet opravovaacuteny současně Vnějšiacute zvlhčovače se nejčastěji navrhujiacute jako membraacutenoveacute či kontaktniacute Membraacutenoveacute jsou založeny na obdobneacutem principu jako vnitřniacute zvlhčovače avšak jsou umiacutestěny odděleně Kontaktniacute zvlhčovače využiacutevajiacute principu rozprašovaacuteniacute zvlhčovaciacute vody na horkyacute povrch či do komory s velkou povrchovou plochou kterou proteacutekaacute jeden z reagujiacuteciacutech plynů Voda se potom odpařuje přiacutemo do plynu a způsobuje jeho nasyceniacuteVnějšiacute zvlhčovače mohou odebiacuterat vodu z chladiacuteciacuteho okruhu nebo mohou byacutet vybaveny samostatnyacutem vodniacutem okruhem Vyacutehody a nevyacutehody pro přiacutepad odběru vody z okruhu chladiacuteciacuteho meacutedia jsou stejneacute jako u vnitřniacutech zvlhčovačů V přiacutepadě zvlhčovače se samostatnyacutem vodniacutem okruhem může byacutet jako chladivo použito meacutedium s vyššiacutemi niacutezkoteplotniacutemi charakteristikami než maacute voda čiacutemž se však stane vzaacutejemnaacute vazba mezi teplotou zvlhčovače a palivoveacuteho člaacutenku daleko komplikovanějšiacute Bez ohledu na zdroj vody vede využiacutevaacuteniacute vnějšiacuteho zvlhčovače k nutnosti použitiacute samostatnyacutech součaacutestiacute ktereacute jsou pravděpodobně rozměrnějšiacute a takeacute mohutnějšiacute zvlaacuteště v přiacutepadě kontaktniacuteho zvlhčovače PEM člaacutenky pracujiacute s teplotami 70 až 90 degC a relativniacutem tlakem 1 až 2 bary Každyacute člaacutenek je schopnyacute generovat napětiacute okolo 11 V

61

Obr 24 Scheacutema PEM člaacutenku [18] V palivovyacutech člaacutenciacutech typu PEM spolu reagujiacute vodiacutek a kysliacutek Reakce na anodě a anodě probiacutehajiacute naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

1 2O2 + 2eminus + 2H + rarr H2O

Proton H+ prochaacuteziacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem vzaacutejemneacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou využity k oběhu od anody ke katodě přes vnějšiacute elektrickyacute obvod Sloučeniacutem reakciacute na anodě a katodě ziacuteskameacute celkovou reakci pro PEM člaacutenek

H2 +1 2O2 rarr H2O PEM člaacutenky dobře snaacutešiacute vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho jak v palivu tak okysličovadlu proto mohou PEM člaacutenky pracovat se znečištěnyacutem vzduchem jako okysličovadlem a reformaacutetorem jako palivem Tyto člaacutenky pracujiacute s niacutezkyacutemi teplotami což zjednodušuje požadavky na použiteacute materiaacutely umožňuje rychlyacute start a zvyšuje bezpečnost Je použit pevnyacute suchyacute elektrolyt to eliminuje naacuteroky na manipulaci s tekutinami snižuje pohyb elektrolytu a probleacutemy spojeneacute s jeho doplňovaacuteniacutem Elektrolyt neniacute korozivniacute tiacutem samozřejmě klesajiacute probleacutemy s koroziacute materiaacutelů PEM člaacutenky majiacute vysokeacute člaacutenkoveacute napětiacute vysokou proudovou a energetickou hustotu Pracovniacute tlaky jsou relativně niacutezkeacute a člaacutenek je schopen reagovat na proměnnost tlaku bez většiacutech probleacutemů Tvarově jsou PEM člaacutenky jednoducheacute kompaktniacute a mechanicky odolneacute PEM člaacutenky jsou citliveacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu (maximum je 50 ppm) jsou schopneacute sneacutest pouze několik ppm sloučeniny siacutery PEM člaacutenky požadujiacute zvlhčovaacuteniacute reakčniacuteho plynu zvlhčovaacuteniacute je energeticky naacuteročneacute a způsobuje naacuterůst rozměru celeacuteho systeacutemu Použitiacute vody pro zvlhčovaacuteniacute paliva limituje provozniacute teplotu palivoveacuteho člaacutenku na hodnotu nižšiacute než je teplota bodu varu vody čiacutemž se redukuje potenciaacutel využitelnyacute v kogeneračniacutech aplikaciacutech PEM člaacutenky použiacutevajiacute draheacute platinoveacute katalyzaacutetory a draheacute membraacuteny se kteryacutemi se obtiacutežně pracuje

62

46 Systeacutem palivovyacutech člaacutenků

Blok palivoveacuteho člaacutenků je jednotka pro přeměnu energie v systeacutemu palivoveacuteho člaacutenku Zdroj se sklaacutedaacute z množstviacute subsysteacutemů pro řiacutezeniacute a regulaci provozu palivoveacuteho člaacutenku Pomocneacute systeacutemy jsou požadovaacuteny pro systeacutem chlazeniacute člaacutenku dopravu a zvlhčovaacuteniacute reaktantů přenos elektrickeacuteho vyacutekonu člaacutenku monitorovaacuteniacute a řiacutezeniacute provozu popřiacutepadě uskladněniacute paliva a okysličovadla Systeacutemy palivovyacutech člaacutenků majiacute vyššiacute tepelneacute uacutečinnosti zvlaacuteště ty s malyacutemi rozměry či středniacutem zatiacuteženiacutem Praacutevě uacutečinnostniacute charakteristika poskytuje hlavniacute impuls pro současnyacute vyacutevoj palivovyacutech člaacutenků Zdroje s palivovyacutemi člaacutenky jsou schopneacute provozu s reformovanyacutemi fosilniacutemi palivy jakyacutem je metanol či zemniacute plyn Zdokonalenaacute tepelnaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku snižuje objem potřebneacuteho paliva a tiacutem zajišťuje i sniacuteženiacute znečišťovaacuteniacute životniacuteho prostřediacute Konfigurace provozniacute charakteristiky a celkovaacute systeacutemovaacute uacutečinnost zdrojů s palivovyacutemi člaacutenky se určuje předevšiacutem vyacuteběrem vhodneacuteho paliva a okysličovadla Nejefektivnějšiacute konfigurace zdrojů je založena na čistyacutech reaktantech - vodiacuteku a kysliacuteku Avšak pro většinu aplikaciacute je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku a kysliacuteku nepraktickeacute a proto se hledajiacute různeacute alternativy Napřiacuteklad vzduch se obvykle u systeacutemů s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM využiacutevaacute jako okysličovadlo pokud je to možneacute Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je sniacutežena v porovnaacuteniacute s provozem s čistyacutem kysliacutekem a znevyacutehodněniacute je ještě umocněno potřebou stlačovaacuteniacute vzduchu Tato znevyacutehodněniacute jsou takeacute většiacute než kompenzace provedenaacute přemiacutestěniacutem uskladněniacute okysličovadla ven ze zdroje Pro určiteacute aplikace je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku nepraktickeacute v důsledku jeho niacutezkeacute uskladňovaciacute hustoty a nedostatečneacute infrastruktury Tekutaacute paliva jako je metanol nafta a petrolej mohou byacutet reformovaacuteny na plyny bohateacute na vodiacutek ktereacute jsou využity pro provoz palivoveacuteho člaacutenku Zemniacute plyn pokud je dostupnyacute může byacutet takeacute využit v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků Reforming však snižuje celkovou uacutečinnost systeacutemu a zapřiacutečiňuje i naacuterůst rozměrů zdroje

461 Systeacutem vodiacutek vzduch

Suchozemskeacute systeacutemy s palivovyacutemi člaacutenky použiacutevajiacute obvykle jako okysličovadlo stlačenyacute vzduch Jako palivo může byacutet použita jakyacutekoliv z vyacuteše zmiňovanyacutech laacutetek avšak čistyacute vodiacutek je nejjednoduššiacute a nejuacutečinnějšiacute pro tyto podmiacutenky Vodiacutek jako palivo maacute relativně niacutezkou objemovou a hmotnostniacute hustotou uskladněniacute energie ve srovnaacuteniacute s tekutyacutemi palivy jež jsou v současnosti využiacutevaacuteny Kromě toho neniacute zde vybudovaacutena dostatečnaacute infrastruktura pro vstup vodiacuteku na světovyacute trh s energiemi A upřiacutemně v současneacute době relativniacuteho dostatku tekutyacutech paliv potřeba tuto infrastrukturu neniacute přiacuteliš velikaacute Zjednodušeneacute scheacutema zdroje na baacutezi palivovyacutech člaacutenků typu PEM použiacutevajiacuteciacute vodiacutek a vzduch je na obraacutezku 25 Vodiacutek je dopravovaacuten ze zaacutesobniacuteků Vodiacutek je zvlhčen a dodaacutevaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Plynovyacute kompresor tlakuje vodiacutek kteryacute z člaacutenku odchaacuteziacute (poměrnyacute obsah vodiacuteku je přibližně 15) jako přebytek paliva a vraciacute ho zpět do vstupniacute čaacutesti okruhu dodaacutevky paliva Čistota vodiacuteku je jedniacutem z nejdůležitějšiacutech požadavků z toho důvodu musiacute byacutet systeacutem velmi dobře uzavřen V systeacutemu anody je instalovaacuten odvzdušňovaciacute ventil kteryacute sloužiacute k periodickeacutemu odvodu nečistot ktereacute se nachaacutezejiacute ve vodiacutekoveacutem zaacutesobniacuteku Okolniacute vzduch je filtrovaacuten stlačen zvlhčen a dodaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Kondenzaacutetor odvaacutediacute produktovou vodu z vyacutestupu vzduchu rekuperačniacute tepelnyacute

63

vyacuteměniacutek ohřiacutevaacute proud vstupniacuteho vzduchu Popsanyacute systeacutem pracuje obvykle s tlakem okolo 2 barů Uzavřenaacute smyčka chladiacuteciacuteho okruhu je zaměstnaacutevaacutena udržovaacuteniacutem provozniacute teploty člaacutenků okolo 80 degC Kondenzaacutetor produktoveacute vody a zvlhčovač reaktantů se začleňuje do chladiacuteciacuteho systeacutemu V systeacutemu chladiacuteciacute vody je daacutele instalovaacuten deionizačniacute filtr z důvodu udrženiacute hladiny čistoty vody Člaacutenek je dokonale izolovaacuten aby se předešlo průsakům vody ven z člaacutenku a kontaminaci membraacuteny prostřednictviacutem nechtěnyacutech iontů Na elektrickeacutem vyacutestupu palivoveacuteho člaacutenku je neregulovaneacute stejnosměrneacute napětiacute Testovaacuteniacute zaacutetěže by se mělo provaacutedět pravidelně aby byly zajištěny dobreacute elektrickeacute podmiacutenky pro předpoklaacutedanou zaacutetěž

Obr 25 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a vzduchem [8]

462Systeacutem vodiacutek kysliacutek

V aplikaciacutech kde neniacute dostupnyacute vzduch jako je vesmiacuter nebo podmořskeacute prostřediacute může byacutet použit čistyacute vodiacutek kysliacutek jako okysličovadlo Kysliacutek je uskladněn jako stlačenyacute plyn či kryogenniacute tekutina Kysliacutek zabiacuteraacute určityacute objem a hmotnost celkoveacuteho energetickeacuteho systeacutemu Palivoveacute člaacutenky potom vykazujiacute většiacute vyacutekon většiacute napětiacute člaacutenku a celkovou uacutečinnost Odstraněniacute zařiacutezeniacute ke stlačovaacuteniacute vzduchu dochaacuteziacute v systeacutemu k poklesu hlučnosti a parazitickyacutech ztraacutet Obraacutezek 26 znaacutezorňuje typickyacute zdroj s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s čistyacutem vodiacutekem a kysliacutekem Je to v podstatě stejnyacute systeacutem jako v přiacutepadě systeacutemu se vzduchem Toky obou reaktantů jsou cirkulovaacuteny skrz palivovyacute člaacutenek pomociacute kompresorů se opětovně natlakujiacute na provozniacute tlak V přiacutepadě dostupnosti vhodnyacutech dopravniacutech tlaků z uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků reaktantů mohou byacutet kompresory nahrazeny čerpadly čiacutemž dojde k eliminaci parazitniacutech ztraacutet spojenyacutech s cirkulaciacute plynu Systeacutemy těchto palivovyacutech člaacutenků jsou obvykle konstruovaacuteny pro provoz

64

v uzavřeneacutem prostřediacute a mohou byacutet provozovaacuteny jako samostatneacute uzavřeneacute systeacutemy V ideaacutelniacutem přiacutepadě je jedinyacutem hmotnyacutem produktem voda Nečistoty ve vstupniacutem vodiacuteku a kysliacuteku postupně zvyšujiacute svou koncentraci v systeacutemu proto je nezbytneacute pravidelneacute čištěniacute Inertniacute čaacutesti paliva jsou vstřebaacutevaacuteny a odvaacuteděny prostřednictviacutem produktoveacute vody palivoveacuteho člaacutenku Potřeba přiacutedavneacuteho čištěniacute je určena požadavkem čistoty u zařiacutezeniacute na uskladněniacute reaktantů životnostiacute zdroje a provozniacutemi podmiacutenkami systeacutemu

Obr 26 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a kysliacutekem [8]

65

5 Instalace ve světě

V současnosti se spojeniacute větrneacute energie a vyacuteroby vodiacuteku použiacutevaacute velmi maacutelo Tento systeacutem maacute ovšem podle mnoha zdrojů obrovskyacute růstovyacute potenciaacutel Nabiacuteziacute jednu z alternativ pro teacuteměř 16 miliardy lidiacute na světě kteřiacute nemajiacute přiacutestup k elektrickeacute energii Trhy pro ktereacute je tato technologie zajiacutemaveacute již dnes jsou izolovaneacute oblasti vyspělyacutech staacutetů Tyto trhy použiacutevajiacute jako hlavniacute zdroj elektrickeacute energie diesel agregaacutety jsou tudiacutež vysoce zaacutevisleacute na dodaacutevkaacutech ropy Vodniacute elektrolyacuteza je použitelnaacute ve spojeniacute s fotovoltaickou a větrnou energiiacute Existuje dobraacute shoda mezi polarizačniacutemi křivkami obnovitelnyacutech zdrojů a elektrolyzeacuterů a mohou byacutet spojeny bez elektronickeacuteho sledovaacuteniacute vyacutekonovyacutech charakteristik při relativně vysokeacute uacutečinnosti Projekty využiacutevajiacuteciacute spojeniacute větrneacute energie již existujiacute Jeden z pilotniacutech projektů je umiacutestěn na ostrově Unst v severniacute čaacutesti Velkeacute Britaacutenie Ciacutelem tohoto projektu je demonstrovat jak větrnaacute energie spojenaacute s využiacutevaacuteniacutem vodiacuteku je schopna pokryacutet energetickeacute potřeby pěti obchodniacutech jednotek v odlehleacute oblasti Větrnaacute energie na Shetlandech nabiacuteziacute velmi dobreacute možnosti pro jejiacute využitiacute nevyacutehodou větrnyacutech podmiacutenek na tomto ostrově je jejich nepředviacutedatelnaacute povaha Pro zajištěniacute stabilniacuteho a spolehliveacuteho dodaacutevaacuteniacute energie je potřeba zajistit dobreacute řiacutezeniacute toku teacuteto energie a skladovaacuteniacute Elektrickaacute siacuteť je na ostrově ve velmi špatneacutem stavu a neumožňuje připojeniacute dalšiacuteho pevneacute připojeniacute z obnovitelnyacutech zdrojů Každyacute novyacute systeacutem musiacute byacutet připojen nezaacutevisle na siacuteti nebo miacutet zajištěn dostatečnou kapacitu pro uskladněniacute energie z těchto zdrojů Na ostrově jsou umiacutestěny 2 větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 15 kW V čase niacutezkeacuteho odběru obchodniacutech jednotek nebo naopak při vysokeacute produkci je přebytek energie použit v elektrolyzeacuteru kteryacute potřebuje přibližně 2-7 kW denniacute produkce vodiacuteku dosahuje přibližně 2 kg vodiacuteku Vodiacutek je uložen ve vysokotlakyacutech naacutedobaacutech a daacutele použiacutevaacuten jako alternativa fosilniacutech paliv Systeacutem je vybaven zaacuteložniacutem zdrojem obsahuje 5 kW palivoveacute člaacutenky a měnič kteryacute převaacutediacute stejnosměrnyacute proud z elektrolyzeacuteru na proud střiacutedavyacute

Obr 27 Scheacutema systeacutemu instalovaneacuteho v Unstu

66

Prvniacutem miacutestem kde došlo v roce 2004 k instalaci vyacuteznamnějšiacuteho autonomniacuteho systeacutemu využiacutevajiacuteciacuteho větrneacute elektraacuterny pro produkci vodiacuteku a jeho naacutesledneacutemu použitiacute pro vyacuterobu elektrickeacute energie je norskyacute ostrov Utsira V pilotniacutem projektu bylo vybraacuteno 10 domaacutecnostiacute do kteryacutech se dodaacutevaacute elektrickaacute energie vyacutehradně z větrneacute energie Ve větrneacutem počasiacute větrneacute elektraacuterny dodaacutevajiacute elektřinu přiacutemo Když produkce elektřiny přesaacutehne aktuaacutelniacute požadavky domaacutecnostiacute je přebytečnaacute elektřina použita pro produkci vodiacuteku v elektrolyzeacuterech Vodiacutek je daacutele stlačen a uložen do tlakovyacutech naacutedob V přiacutepadě že je viacutetr přiacuteliš slabyacute nebo naopak silnyacute a větrneacute elektraacuterna neniacute schopna dodaacutevat elektrickou energii palivoveacute člaacutenky začnou spotřebovaacutevat uskladněnyacute vodiacutek a dodaacutevat elektrickou energii do domaacutecnostiacute Tento systeacutem je schopen dodaacutevat elektrickou energii domaacutecnostem až po dobu 3 dnů v přiacutepadě nedostupnosti větrneacute energie Utsira je velmi větrnyacutem ostrovem kteryacute se jevil jako ideaacutelniacute miacutesto pro pilotniacute projekt tohoto typu Na ostrově byly instalovaacuteny dvě turbiacuteny Enercon E40 každaacute s kapacitou 600 kW Jedna z turbiacuten produkuje elektřinu přiacutemo do siacutetě zatiacutemco druhaacute je připojena do samostatneacuteho systeacutemu a vyacutekon je sniacutežen na 150 kW aby leacutepe odpoviacutedala poptaacutevce Pro stabilizaci nestabilniacute obnovitelneacute energie se použiacutevaacute setrvačniacutek s kapacitou 5 kWh a 100 kVA hlavniacute synchronniacute motor ktereacute vyrovnaacutevajiacute a ovlaacutedajiacute napětiacute a frekvenci Přebytečnaacute energie je uklaacutedaacutena pomociacute elektrolyzeacuteru firmy Hydrogen Technologies s maximaacutelniacutem zatiacuteženiacutem 48 kW 5 kW kompresoru Hofer a tlakovyacutech naacutedob o objemu 2400 Nm3 při tlaku 200 bar Při nedostatku energie z větru se tato potřebnaacute energie dodaacutevaacute pomociacute 5 IRD palivovyacutech člaacutenků o celkoveacutem vyacutekonu 55 kW

Obr 28 Scheacutema projektu v Utsiře

Projekt byl v provozu nepřetržitě po dobu 4 let viacutece než 50 času byly pro dodaacutevaacuteniacute energie použiacutevaacuteny palivoveacute člaacutenky Kvalita dodaacutevky elektrickeacute energie byla dobraacute nebyly hlaacutešeny žaacutedneacute stiacutežnosti I přes uacutespěšnou demonstraci kvality projektu byly odhaleny vyacutezvy ktereacute je potřeba překonat pro zajištěniacute uacutespěchu teacuteto technologie 20 Utilizace větrneacute energie odhalila potřebu pro vyacutevoj uacutečinnějšiacutech elektrolyzeacuterů stejně tak jako zlepšeniacute uacutečinnosti konverze vodiacuteku na elektřinu Palivoveacute člaacutenky v průběhu provozu trpěly určityacutemi probleacutemy jako byl uacutenik chladiciacute kapaliny ze člaacutenku Palivoveacute člaacutenky trpěly takeacute rapidniacute degradaciacute vydržely sotva 100 hodin provozu Tyto probleacutemy spojeneacute s niacutezkou uacutečinnostiacute konverze vodiacuteku zvyacutešili

67

pravděpodobnost že vodiacutek během klidneacuteho větru může dojiacutet Cena a spolehlivost palivovyacutech člaacutenků se musiacute vylepšit aby byl projekt tohoto typu komerčně uacutespěšnyacute Bylo takeacute doporučeno aby budouciacute projekty zahrnovaly viacutece obnovitelnyacutech zdrojů energie Uacutespěch projektu na ostrově Utsira demonstruje uskutečnitelnost kombinace obnovitelneacuteho zdroje energie a vodiacuteku v odlehlyacutech lokalitaacutech a noveacute možnosti použitiacute elektrolyzeacuterů v budouciacutech energetickyacutech systeacutemech Ekonomicky bude tento projekt daacutevat smysl pouze při dalšiacutem vyacutevoji součaacutestiacute systeacutemu je předpoklad že by tato podmiacutenka mohla byacutet splněna za 5 až 10 let

Obr 29 Projekt kombinujiacuteciacute větrnou energii a vodiacutek na ostrově Utsira [20]

68

6Přiacutepadovaacute studie

61Vyacuteběr lokace

Souhrnnaacute dlouhodobaacute data o větru v jedneacute lokaci je velmi složiteacute ziacuteskat Lokace pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny se vybiacuteraacute podle podrobneacute lokaacutelniacute větrneacute mapy jejiacutemž autorem je v Českeacute republice ČHMUacute Naacutesleduje faacuteze měřeniacute rychlosti větru přiacutemo v miacutestě potenciaacutelniacuteho umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Pravidelneacute měřeniacute směru a siacutely větru provaacutediacute ČHMUacute na svyacutech meteorologickyacutech staniciacutech Profesionaacutelniacutech stanic existuje 38 6 stanic spravuje armaacuteda a dalšiacutech 179 je stanic je dobrovolnickyacutech Vzhledem k uacuteplnosti dat jsem se v praacuteci rozhodl použiacutet data z meteorologickeacute stanice na letišti v Mošnově Stanice je primaacuterně určena pro informovaacuteniacute leteckeacuteho personaacutelu o počasiacute v bliacutezkosti letiště Diacuteky vstřiacutecnosti miacutestniacutech meteorologů jsem ziacuteskal data o rychlosti větru v roce 2006 Stanice je umiacutestěna přiacutemo na letištniacute ploše ve vyacutešce 3 m Samotneacute letiště Mošnov ležiacute v severovyacutechodniacute čaacutesti Českeacute republiky 20 km od města Ostravy Data

jsou umiacutestěna v souboru programu Excel jako přiacuteloha 1 Měřeniacute je provaacuteděno nepřetržitě a je vypočiacutetaacutevaacuten 15 sekundovyacute průměr kteryacute sloužiacute jako informace pro piloty Statisticky se zaznamenaacutevajiacute 3 měřeniacute denně Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny jsou potřebneacute dvě důležiteacute informace a to průměrnaacute rychlost větru vstr a standardniacute odchylka σw Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov vstr= 3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1

62 Větrnaacute turbiacutena

Pro tuto praacuteci bylo vybraacuteno jako vhodneacute řešeniacute použitiacute dvou stejnyacutech relativně menšiacutech větrnyacutech turbiacuten firmy Enercon Jmenovityacute vyacutekon turbiacuteny je 330 kW Pro uchyceniacute trojlisteacuteho rotoru o průměru 33 m je použit 50 m ocelovyacute stožaacuter Elektraacuterna je bezpřevodovkovaacute s proměnlivyacutemi otaacutečkami rotoru ktereacute se mohou pohybovat v rozmeziacute 15-45 otmin Hlavniacute ložiska jsou jednořadaacute kuželiacutekovaacute Enercon dodaacutevaacute vlastniacute generaacutetor Jednaacute se o prstencovyacute generaacutetor kteryacute je přiacutemo pohaněnyacutesynchronniacute s variabilniacute frekvenciacute Elektraacuterna je daacutele vybavena brzdou rotoru aretaciacute rotoru a třemi soběstačnyacutemi systeacutemy nastavovaacuteniacute listů s nouzovyacutem zdrojem Startovaciacute rychlost je 25 ms-1 jmenovitaacute rychlost 12 ms-1 a odpojovaciacute rychlost je 12 ms-1 Tabulka 7 uvaacutediacute hodnoty jmenoviteacuteho vyacutekonu elektraacuterny při danyacutech rychlostech větru

Rychlost větru [ms]

Vyacutekon [kW]

Kapacitniacute faktor [-]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 5 137 30 55 92 138 196 250 293 320 335 335 335 335

0 035 040 045 047 050 05 05 047 041 035 028 023 018 015

Tab 7 Vyacutekonoveacute charakteristiky turbiacuteny E33 [21]

69

Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny se potom určiacute pomociacute vyacutepočtu v programu Mathcad tento vyacutepočet je součaacutestiacute přiacutelohy 2 Pro určeniacute vyacutekonoveacute křivky použijeme tabulku 7 zobrazujiacuteciacute rychlost větru a jemu odpoviacutedajiacuteciacute vyacutekon Data proložiacuteme křivkou spline kteraacute je aproximaciacute tabulkovyacutech hodnot Použijeme funkci cspline kteraacute je v programu Mathcad definovaacutena Vyacuteslednaacute křivka je potom zobrazena na obraacutezku 30 Křivka je určena pro teplotu t=15degC a nadmořskou vyacutešku h=0 m

Obr 30 Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny E33

63 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov

Celyacute vyacutepočet je umiacutestěn v přiacuteloze 2 Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr= 3596 ms-1 standardniacute odchylky σw=254 ms-1 a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 1459

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 3969

Spektrum rozloženiacute hustoty rychlostiacute větru v daneacute lokalitě se popisuje pomociacute Weibullovy pravděpodobnostniacute funkce grafickeacute zobrazeniacute je na obraacutezku 31

70

f x( ) = kcsdot xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdotexp minus xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

Obr 31 Weibullova funkce pro letiště Mošnov

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě mošnovskeacuteho letiště je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 3 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 015 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 682m sdot sminus1

Rozdiacutel v průměrnyacutech rychlostech je převaacutežně způsoben působeniacutem mezniacute vrstvy u povrchu Země Hustota vzduchu v miacutestě instalace značně ovlivňuje vyacuteslednyacute vyacutekon větrneacute elektraacuterny proto je potřeba ji v celkoveacutem vyacutepočtu zohlednit Hustota vzduchu ρ [kgm3] je zaacutevislaacute předevšiacutem na teplotě t [degC] a nadmořskeacute vyacutešce Z [m] dle vztahu

ρ = 33505t + 2731

sdotexp minus981sdotZ287 sdot(t + 2731)

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

71

Dalšiacute veličinou kterou je před samotnyacutem vyacutepočtem určit je kapacitniacute faktor CFA [-] Kapacitniacute faktor je jinyacutem naacutezvem součinitel využitiacute a určuje zastoupeniacute času při ktereacutem jsou schopny větrneacute elektraacuterny byacuteti v provozu Tento součinitel zaacuteviacutesiacute na typu větrneacute elektraacuterny daacutele pak na maximaacutelniacute rychlosti větru Uf [ms] minimaacutelniacute rychlosti větru Uc [ms] naacutevrhoveacute rychlosti větru Ur [ms] a Weibullovyacutech faktorech c a k dle naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 029

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Mošnově použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 257 m průměrnaacute teplota t= 65 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=682 ms Pnom se potom rovnaacute 8447 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obraacutezku 32

Obr 32 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro mošnovskou lokalitu Pav= 24 445 W Ročniacute průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 24445 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na letišti v Mošnově je potom Pwf=44691 kW Tato hodnota je na vyacutekon 330kW elektraacuterny velmi niacutezkaacute instalace tedy postraacutedaacute ekonomickyacute smysl a je potřeba určit jineacute umiacutestěniacute instalace Dalšiacutem faktorem znemožňujiacuteciacutem instalaci větrnyacutech elektraacuteren je složitost stavebniacuteho řiacutezeniacute Vzhledem k ochraně letištniacuteho provozu by stavba musela splňovat velmi složitaacute kriteacuteria a byacutet umiacutestěna v dostatečneacute vzdaacutelenosti od letištniacute draacutehy kde už nemusejiacute rychlosti větru odpoviacutedat rychlostem měřenyacutem meteorologickou staniciacute přiacutemo

72

na letišti

64 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce

Obec Noveacute Dvorce na hranici Olomouckeacuteho a Moravskoslezskeacuteho kraje byla vybraacutena jako alternativniacute lokalita splňujiacuteciacute zaacutekladniacute požadavek o průměrneacute ročniacute rychlosti větru V lokalitě Červeneacuteho kopce kteryacute je v bliacutezkosti obce Noveacute Dvorce je umiacutestěno již v současneacute době 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele větrneacuteho parku a to firmy Větrnaacute energie HL sro je v lokalitě Červeneacuteho kopce průměrnaacute rychlost větru vstr= 74 ms-1 standardniacute odchylka σw=35 ms-1 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny v teacuteto lokalitě probiacutehaacute analogicky jako v předešleacute kapitole Prvniacute je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr standardniacute odchylky σw a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu Mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 2225

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 8355

Graf Weibullovy funkce je pro lokalitu Noveacute Dvorce je zobrazen na obraacutezku 32

Obr 32 Weibullova funkce pro lokalitu Noveacute Dvorce

73

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě Novyacutech Dvorců je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 10 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 025 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 10372m sdot sminus1

Kapacitniacute faktor je potom určen podle analogickeacuteho vztahu jako v předešleacute kapitole pro Noveacute Dvorce je kapacitniacute faktor teacuteměř dvojnaacutesobnyacute což znamenaacute zvyacutešeniacute celkoveacuteho vyacutekonu dodaacuteveneacuteho elektraacuternami

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 0474

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Novyacutech Dvorciacutech použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 580 m průměrnaacute teplota t= 73 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=10372 ms Pnom se potom rovnaacute 2467 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obr

Obr 34 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro lokalitu Noveacute Dvorce Pav= 116 845 W Ročniacute

74

průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 116845 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na Červeneacutem kopci je potom Pwf=23369 kW Vypočiacutetanyacute vyacutekon je průměrně dostupnyacute 1500 hodrok jak uvaacutediacute zdroj [2] Celkovaacute elektrickaacute energie vyprodukovanaacute za 1 rok se určiacute dle vztahu

W = PWT sdot1500 = 3505 times105 kWh rok

Takto vysokaacute hodnota je daacutena předevšiacutem vhodnostiacute vybraneacute lokality kapacitniacute faktor CFA se tudiacutež bliacutežiacute nejvyššiacutem hodnotaacutem kteryacutech je elektraacuterna E33 schopna dosaacutehnout a to CFAmax= 05

65 Elektrolyzeacuter

Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutemu rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute Po uvaacuteženiacute předešlyacutech informaciacute byl pro aplikaci vybraacuten vysokotlakyacute elektrolyzeacuter NELP40 firmy Norsk Hydro Elektrolyzeacuter NELP40 maacute vyacutejimečnyacute dynamickyacute rozsah a to mezi 10 až 100 instalovaneacuteho vyacutekonu při zachovaacuteniacute vysokeacute čistoty vodiacuteku Rychlost vyacuteroby vodiacuteku okamžitě reaguje na rychleacute změny přiacutekonu což je ideaacutelniacute vlastnost pro spojeniacute s větrnou energiiacute Elektrolyzeacuter je pod delšiacute dobu schopen byacutet v režimu stand-by což umožňuje okamžiteacute obnoveniacute vyacuteroby vodiacuteku v přiacutepadě dobryacutech větrnyacutech podmiacutenek Tabulka 8 ukazuje provozniacute charakteristiky tohoto elektrolyzeacuteru

Jmenovitaacute Kapacita

Dynamickyacute rozsah kapacity

Vyacutestupniacute tlak

Čistota vodiacuteku

40 Nm3hod (36 kghod)

10 - 100 jmenoviteacute kapacity

16 bar g (232 psi g)

999

75

Naacuteběhovyacute čas ze stand-by do max kapacity

Reakce na dynamickou změnu zatiacuteženiacute

Okolniacute teplota

Kontrolniacute systeacutem

Elektrolyt

Potřebneacute napět

Frekvence zdroje

Spotřeba energie na Nm3 H2

Spotřeba vody na Nm3 H2

Vyacutekon potřebnyacute k maximaacutelniacute produkci

Vodivost vody

Průtok chladiacuteciacute vody

Teplota chladiacuteciacute vody

lt 3 sekundy

lt 1 sekunda

-20degC - +40degC

automatickyacute daacutelkovyacute monitoring a ovlaacutedaacuteniacute

32 vodnyacute roztok KOH

400 V

50 Hz

48 KWh

09 litru

192 kW

lt 5 microScm

15 m3hod při max kapacitě

lt 25degC

Tab 8 Provozniacute charakteristiky NELP40 [5]

Pro vyacutepočet celkoveacuteho množstviacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku danyacutem elektrolyzeacuterem vyjdeme z provozniacutech charakteristik elektrolyzeacuteru a celkoveacute elektrickeacute energie vyprodukovaneacute za 1 rok našimi větrnyacutemi elektraacuternami Vyacutepočet proveden v přiacuteloze 3 Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku VH potřebneacute množstviacute vody VV a hmotnost vyprodukovaneacuteho vodiacuteku mH je potom

VH = 73030Nm3H2 rokmH = 6573kg rokVV = 65730l rok

Pokud chceme vyčiacuteslit cenu produkce 1 kg vodiacuteku musiacuteme v prvniacutem kroku zařadit větrneacute podmiacutenky v našiacute lokalitě zařadit do kategorie klasifikace větrneacute energie podle obraacutezku 33

76

Obr 33 Klasifikace větrneacute energie [22]

Středniacute rychlost větru pro lokalitu Novyacutech Dvorců je vstr=74 ms-1 nicmeacuteně hustota větrneacute energie je odhadem nižšiacute proto naše lokalita spadaacute do kategorie 6 Podle obraacutezku 34 pak můžeme určit cenovyacute interval vyacuteroby 1 kg vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech Dle obraacutezku je nejnižšiacute možnaacute cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku lehce pod 3 dolary neboli 59 Kč

Obr 34 Cena elektrolytickeacute vyacuteroby 1 kg vodiacuteku dle třiacuted větrneacute energie [22]

66 Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta

Vodiacutek neniacute zdrojem ale přenašečem energie Užitiacute vodiacuteku neniacute omezeno pouze na palivoveacute člaacutenky vodiacutek je vyacutehodneacute palivo i pro klasickeacute spalovaciacute (benziacutenoveacute i naftoveacute) motory Užitiacutem vodiacuteku ve spalovaciacutech motorech vznikajiacute NOx i když jako jedineacute polutanty Diacuteky mnohem menšiacutem naacutekladům na uacutepravu spalovaciacutech motorů pro provoz na vodiacutekoveacute palivo v porovnaacuteniacute s palivovyacutemi člaacutenky se jeviacute varianta spalovaacuteniacute vodiacuteku v nich jako přechodně preferovanějšiacute řešeniacute do doby vyacuterazneacuteho sniacuteženiacute naacutekladů na palivoveacute člaacutenky nebo do doby zvyacutešeniacute jejich uacutečinnosti

77

Pro budouciacute hlavniacute vyacuterobu vodiacuteku prostřednictviacutem elektrolyacutezy vody je nutnyacute dalšiacute vyacuteznamnyacute energetickyacute nosič - elektřina Obdobně jako u elektřiny vyacutehody užitiacute vodiacuteku zaacutevisiacute na tom jak je vodiacutek vyraacuteběn Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny např vyraacuteběneacute z uhliacute zvyacutešiacute se sice bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute ale vyacuterazně se zvyacutešiacute emise CO2 Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny z obnovitelnyacutech zdrojů zvyacutešiacute se bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute a sniacutežiacute emise CO2 ale přidaacutevajiacute se dalšiacute vlivy tohoto způsobu vyacuteroby elektřiny (omezenost obnovitelnyacutech zdrojů) Umiacutestěniacute dostatečneacuteho množstviacute paliva ve vozidle je dalšiacute probleacutem kteryacute dnes neniacute uspokojivě vyřešen Hlavniacute vyacutehodou vodiacuteku jako energetickeacuteho nosiče je že nabiacuteziacute cestu k decentralizovaneacutemu energetickeacutemu trhu na baacutezi nefosilniacutech paliv Vodiacutek je možneacute použiacutevat ve vozidle jako palivo bud přiacutemo ve spalovaciacutem motoru nebo jako zdroj elektrickeacute energie v palivoveacutem člaacutenku v elektromobilu Při vyacuterobě vodiacuteku elektrolyacutezou vody použitiacutem elektrickeacute energie vyrobeneacute z obnovitelnyacutech zdrojů je vodiacutek nejčistšiacutem současnyacutem palivem Z hlediska snižovaacuteniacute emisiacute skleniacutekovyacutech plynů je podstatneacute že automobily jezdiacuteciacute na vodiacutek oproti elektromobilům využiacutevajiacuteciacutech elektřinu z fosilniacutech paliv nevytvaacuteřiacute žaacutedneacute emise oxidu uhličiteacuteho Použitiacute vzduchu jako palivoveacute složky při využitiacute niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků nepřinaacutešiacute emise NOx Probleacutemy s bezpečnostiacute a cena vozidel s přiacutemyacutem spalovaacuteniacutem vodiacuteku jsou však hlavniacute důvody proč se současnyacute vyacutevoj využitiacute vodiacuteku v automobilech orientuje spiacuteše na palivoveacute člaacutenky kde se vodiacutek využiacutevaacute na vyacuterobu elektrickeacute energie Nicmeacuteně se zaměřiacuteme na použitiacute vodiacuteku ve spalovaciacutem motoru a to převaacutežně z důvodu možneacuteho rychleacuteho nasazeniacute do provozu jelikož uacuteprava spalovaciacuteho motoru neniacute komplikovanaacute a byla už reaacutelně předvedena Dalšiacutem důvodem je cena automobil vybavenyacute palivovyacutemi člaacutenky o stejneacutem vyacutekonu jako 2 litrovyacute benzinovyacute motor maacute desetinaacutesobnou cenu celkovyacutech naacutekladu na konverzi auta se spalovaciacutem motorem [23] Palivovyacute systeacutem motoru je vybaven elektronickyacutem směšovaciacutem systeacutemem kteryacute určuje směšovaciacute poměr vodiacuteku a vzduchu Spalovaacuteniacute probiacutehaacute s přebytkem vzduchu Přiacutedavnyacute vzduch ve spalovaciacutem prostoru odniacutemaacute teplo a tiacutem klesaacute teplota plamene pod kritickou mez nad niž by se směs mohla sama vzniacutetit Vznikajiacuteciacute oxidy dusiacuteku (NOx) jsou neutralizovaacuteny v redukčniacutem katalyzaacutetoru Bez dalšiacutech přiacutedavnyacutech zařiacutezeniacute pracujiacute vodiacutekoveacute motory prakticky bez emisiacute oproti benzinu jsou všechny emisniacute komponenty sniacuteženy až o 999 [23]

661 Koncept Fordu Focus s vodiacutekovyacutem palivem

Projekt uacutepravy seacuteriově vyraacuteběneacuteho Fordu Focus byl koordinovaacuten daacutenskou nevlaacutedniacute organizaciacute Folkencenter kteraacute byla založena v roce 1983 Hlavniacute naacuteplniacute teacuteto organizace je vyacutevoj testovaacuteniacute a demonstrovaacuteniacute technologiiacute využiacutevajiacuteciacute obnovitelneacute zdroje energie Standardniacute Ford Focus s 2 litrovyacutem benziacutenovyacutem motorem byl konvertovaacuten na použitiacute vodiacuteku jako paliva Vysokotlakaacute naacutedrž na vodiacutek o objemu 90 l byla uložena do zadniacute čaacutesti automobilu Bezpečnostniacute a ovlaacutedaciacute prvky byly speciaacutelně vyvinuty Scheacutema systeacutemu je na obraacutezku 35

78

Obr 35 Scheacutema konceptu vodiacutekoveacuteho Fordu Focus [23]

Motor konceptu je startovaacuten pomociacute benziacutenu a po dostatečneacutem zvyacutešeniacute otaacuteček je automaticky přepnut na vodiacutekoveacute palivo Toto uspořaacutedaacuteniacute umožňuje plynuleacute starty a nabiacuteziacute možnost cestovaacuteniacute na delšiacute trasy za použitiacute konvenčniacutech paliv Modifikace byly provedeny na hlavě vaacutelce Palivovyacute systeacutem vodiacuteku byl nově vyvinut přesneacute elektronickeacute řiacutezeniacute motoru je založeno na rychlosti a zatiacuteženiacute motoru Maximaacutelniacute vyacutekon 46 k dostaneme při 4600 otm což umožňuje vyvinout rychlost až 110 kmh Vyacutekonovaacute křivka motoru je na obraacutezku 36

Obr 36 Porovnaacuteniacute vyacutekonu motoru Fordu Focus při použitiacute vodiacuteku a benziacutenu jako paliva [23]

79

662 Průměrnaacute spotřeba vodiacuteku jako paliva

Pro analyacutezy využitiacute vodiacuteku jako paliva a plaacutenovaacuteniacute spraacutevneacuteho rozvrženiacute čerpaciacutech stanic jsou elektrolytickeacute systeacutemy kategorizovaacuteny do naacutesledujiacuteciacutech kategoriiacute dle [24]

bull Domaacuteciacute velikost poskytne palivo pro 1-5 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 200-1000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho sousedstviacute poskytne palivo pro 5-50 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 1000-10000 kg H2rok

bull Velikost sousedstviacute poskytne palivo pro 50 - 150 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 10000-30000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho předměstiacute což může reprezentovat stojan u staacutevajiacuteciacutech benzinovyacutech pump poskytuje palivo pro 150-500 aut a produkce vodiacuteku dosahuje 30000-100000 kg H2rok

bull Velikost předměstiacute poskytne palivo pro viacutece než 500 automobilů za rok a produkce vodiacuteku bude většiacute než 100000 kg H2rok

Počet aut byl určen vyacutepočtem kteryacute předpoklaacutedaacute spotřebu jednoho auta na 200 kg vodiacuteku za rok Spotřeba 200 kg vodiacuteku předpoklaacutedaacute že auto ujede ročně průměrně 19000 km a průměrnaacute spotřeba bude 104 kg vodiacuteku na 100 km Při použitiacute stejnyacutech předpokladů a a použitiacute množstviacute naacutemi vyrobeneacuteho vodiacuteku a to mH=6573 kg může systeacutem instalovanyacute v Novyacutech Dvorciacutech pokryacutet ročniacute spotřebu až 32 automobilů Při zahrnutiacute informaciacute o naacutekladoveacute ceně na vyacuterobu jednoho 1kg paliva a průměrneacute spotřebě automobilu viz přiacuteloha 3 by cena na ujetiacute jednoho kilometru byla 061 Kč Tato cena nereflektuje daň spotřebniacute ani daň z přidaneacute hodnoty

663 Bezpečnostniacute zaacutesady

Vodiacutek je velmi lehkyacute a hořlavyacute plyn kteryacute ve spojeniacute se vzduchem vytvaacuteřiacute vyacutebušnou směs proto je potřeba dodržovat při konstrukci a provozu systeacutemů využiacutevajiacuteciacutech vodiacutek určiteacute bezpečnostniacute zaacutesady a postupy jako napřiacuteklad

bull Dokonale utěsněneacute trubkoveacute prostupy do zařiacutezeniacute a budovbull Použiacutevat bezpečnaacute zařiacutezeniacute ktereacute neprodukujiacute jiskry (osvětleniacute topeniacute

klimatizace)bull Ověřovaacuteniacute diferenčniacutech tlaků použiacutevaacuteniacute ventilaacutetorůbull Použiacutevaacuteniacute panelů miacuterniacuteciacutech přiacutepadnyacute vyacutebuchbull Testovaacuteniacute vodiacutekoveacuteho potrubiacute na tlakoveacute ztraacutety a uacutenikbull Potrubiacute a tlakoveacute naacutedoby profukovat dusiacutekem před manipulacemi s

armaturami aby jsme minimalizovali pravděpodobnost vytvořeniacute hořlaveacute směsi mezi vodiacutekem a vzduchem

Nouzoveacute vypiacutenače

Pro zajištěniacute rychleacute odstaacutevky vyacuteroby by měly byacutet v miacutestě instalace umiacutestěny nouzoveacute vypiacutenače Spraacutevneacute umiacutestěniacute samozřejmě zaacutevisiacute na konkreacutetniacutem provedeniacute systeacutemu Pro vyacuterobu vodiacuteku pomociacute elektrolyzeacuteru by měly byacutet umiacutestěny řiacutediacuteciacute budově na PLC skřiacuteni dalšiacute vhodneacute miacutesto je mimo hlavniacute vstup do produkčniacute budovy v produkčniacute budově opět umiacutestěniacute v bliacutezkosti PLC skřiacuteně

80

Aktivace nouzoveacuteho vypiacutenače by mělo naacutehle ukončit produkci vodiacuteku nebo odstavit proud přechaacutezejiacuteciacute do elektrolyzeacuteru Aktivace zavře pneumatickyacute ventil tak aby došlo k izolaci vysokotlakeacuteho vodiacuteku uloženeacuteho v zaacutesobniacuteku Naacutemi použityacute alkalickyacute elektrolyzeacuter ukončiacute svou činnost okamžitě po odstaveniacute probiacutehaacute promyacutevaacuteniacute dusiacutekem ktereacute trvaacute 10 až 15 minut

Detekce vodiacuteku

Produkčniacute budova a kompresorovna by měly miacutet vodiacutekoveacute detektory Vodiacutekoveacute detektory začnou vydaacutevat alarm když koncentrace vodiacuteku překročiacute 10 Detektory jsou kontinuaacutelně sledovaacuteny PLC ktereacute v přiacutepadě zvyacutešeniacute koncentrace odstaviacute vyacuterobu vodiacuteku a spustiacute alarm

Ventilace

Odsaacutevaciacute ventilaacutetor instalovaacuten do produkčniacute i kompresoroveacute budovy je v provozu kontinuaacutelně aby se zabraacutenilo nahromaděniacute unikajiacuteciacuteho vodiacuteku Odsaacutevaciacute ventilaacutetor je v provozu pokud probiacutehaacute vyacuteroba vodiacuteku Elektrolyzeacuter i kompresor jsou pozastaveny dokud nebude dosaženo na odsaacutevaciacutem ventilaacutetoru potřebneacute diferenciace tlaku kteryacute indikuje dostatečnyacute průtok vzduchu Tlaky jsou opět monitorovaacuteny PLC ktereacute zastaviacute vyacuterobu v přiacutepadě poklesu rozdiacutelu tlaku

Požaacuterniacute detekce

Protipožaacuterniacute ochrana se obvykle sklaacutedaacute ze dvou požaacuterniacutech hlaacutesičů odolaacutevajiacuteciacutech počasiacute a dvou optoelektronickyacutech detektorů kouře V produkčniacute budově jsou umiacutestěny UVIR detektory a detektory monitorujiacuteciacute tepelnyacute vyacutekon Všechny veškereacute detektory jsou spojeny s PLC ktereacute v přiacutepadě detekce požaacuteru odstaviacute vyacuterobu

81

Zaacutevěr

Praacutece teoreticky nastiňuje možnosti použitiacute hybridniacuteho systeacutemu spojeniacute dvou menšiacutech větrnyacutech elektraacuteren firmy Enercon o jmenoviteacutem vyacutekonu 330 kW a alkalickeacuteho elektrolyzeacuteru NELP40 firmy Norsk Hydro Zaacutekladniacutem krokem vyacutepočtu je nalezeniacute vhodneacute lokality umiacutestěniacute větrnyacutech elektraacuteren Prvotniacute vyacuteběr se provaacutediacute pomociacute větrneacute mapy kterou distribuuje ČHMUacute V našem přiacutepadě byla vybraacutena lokalita letiště v Mošnově Druhyacutem krokem je měřeniacute přiacutemo v miacutestě umiacutestěniacute potenciaacutelniacute větrneacute elektraacuterny Pro tento krok byly využity data dodanaacute miacutestniacute meteorologickou staniciacute Data se statisticky zpracovala a ukaacutezala naacutem zaacutekladniacute vlastnosti větru v mošnovskeacute lokalitě Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov je vstr=3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1 Tyto hodnoty jsou měřeny ve vyacutešce 3 m nad tereacutenem Pomociacute těchto hodnot byly určeny hodnoty tvaroveacuteho Weibull parametru k=1459 a rozměroveacuteho Weibull parametru c=3969 ms-1 Jelikož budou rotory větrneacute elektraacuterny umiacutestěny ve vyacutešce 44 m je potřeba přepočiacutetat průměrnou rychlost větru praacutevě pro 44 m průměrnaacute rychlost větru ve 44 m je potom Ur=682 ms-1 Jedniacutem ze zaacutekladniacutech faktorů ukazujiacuteciacutech kvalitu umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny je tzv kapacitniacute faktor CFA=029 tato hodnota je relativně niacutezkaacute a dalo se tedy předpoklaacutedat že lokalita v Mošnově neniacute ideaacutelniacutem miacutestem pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Domněnka byla potvrzena po dopočiacutetaacuteniacute celkoveacuteho vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren Pwf=44691 kW Tato hodnota je velmi niacutezkaacute pokud vezmeme v potaz celkovyacute nominaacutelniacute vyacutekon obou elektraacuteren kteryacute je 660 kW Podle větrneacute mapy byly vybraacuteny Noveacute Dvorce jako alternativniacute možnost umiacutestěniacute našich elektraacuteren Shodou okolnostiacute toto miacutesto již využiacutevaacute společnost Větrnaacute energie HL sro kteraacute zde umiacutestila 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele byla v miacutestě naměřena průměrnaacute rychlost větru vstr=74 ms=1 a standardniacute odchylka je potom σw=35 ms-1 Tyto hodnoty byly měřeny ve vyacutešce 10 m Vyacutepočet probiacutehal analogicky jako v prvniacutem přiacutepadě Kapacitniacute faktor CFA=0474 Stejně jako v předešleacutem přiacutepadě se dalo tušit že celkovyacute vyacutekon bude vysokyacute maximaacutelniacute kapacitniacute faktor pro větrnou elektraacuternu Enercon E33 je totiž 05 Celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren je v tomto přiacutepadě Pwf=23369 kW což je velmi dobraacute hodnota Předpoklaacutedaacute se že dostupnost tohoto vyacutekonu je 1500 hodin ročně celkovaacute vyrobenaacute elektrickaacute energie W=3505x105 kWhrok Elektrickaacute energie je spotřebovaacutena elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro kteryacute je pomociacute niacute schopen vyrobit mh=6573 kgrok Pro zjištěniacute naacutekladoveacute ceny je prvně potřeba klasifikovat větrneacute podmiacutenky podle zdroje [22] naše lokalita spadaacute do 6 kategorie a cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku je tedy 59 Kč Vodiacutek je daacutele použit jako palivo pro automobily ktereacute použiacutevajiacute konvenčniacute spalovaciacute motory upraveneacute pro spalovaacuteniacute vodiacuteku jako paliva Předpoklaacutedaacuteme že průměrnaacute spotřeba vodiacuteku na jedno auto a rok je 200 kg vodiacuteku Předpoklad zahrnuje ujetiacute 19 000 km za rok a průměrneacute spotřeby 104 kg vodiacuteku na 100 km Produkce vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech by pokryla provoz až 32 automobilů Naacutekladovaacute cena na ujetiacute 1 km by byla 061 Kč naacutekladovaacute cena pro benzinovyacute je průměrně 120 Kč Tyto ceny nereflektujiacute vyacuteši spotřebniacute daně a daně z přidaneacute hodnoty Zejmeacutena u daně z přidaneacute hodnoty se daacute předpoklaacutedat daňoveacute zvyacutehodněniacute pro vodiacutekovyacute pohon jelikož tento způsob vyacuteroby a využitiacute vodiacuteku neuvolňuje žaacutedneacute emise

82

Seznam použiteacute literatury

[1] Lakva P Netradičniacute využitiacute větrneacute energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2009 38 s Vedouciacute bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

[2] Rychetniacutek V Pavelka J Větrneacute motory a elektraacuterny ČVUT Praha 1997

[3] Wind energy [online] [citovaacuteno 2012-10-10] Dostupneacute z lthttpwwwgreenrhinoenergycomrenewablewindgt

[4] Luťcha J Hybridniacute soustava větrneacute elektraacuterny a fotovoltaickyacutech člaacutenků KG Process Innovations Brno 2009

[5] Norwegian Electrolysers [online] [citovaacuteno 2012-04-22] Dostupneacute z lthttpwwwnel-hydrogencomgt

[6] Sherif S A Barbir F Veziroglu T N Wind energy and the hydrogen economy-review of the technology Elsevier 2005

[7] Gupta R Hydrogen fuel production transport and storage San Francisco 2008 ISBN 978-1-4200-4575-8

[8] Sobotka K A wind power fuel cell hybrid system study University of Akureyri 2009

[9] Richard S A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles Universiteacute Laval 1996

[10] Agbossou K Chahine R Hamelin J Renewable energy systems based on hydrogen for remote applications Journal of Power Sources New York 2001

[11] Vijayaraghavan K Trends in biological hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy Rennes 2004

[12] Horaacutek B Koziorek J Kopřiva M Studie pohonu mobilniacuteho prostředku s palivovyacutem člaacutenkem VŠB TU Ostrava 2005

[13] Celik AN On the distributional parameters used in assessment of the suitability of wind speed probability density functions Energy Convers Manag Istanbul 2004 [14] Stolten D Krieg D Weber M An Overview on Water Electrolysis Juelich Research Center Berlin 2010

[15] Bourgeois R Advanced Alkaline Electrolysis GE Global Research Center New York 2006

[16] Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav [online] [citovaacuteno 2013-04-21] Dostupneacute z lthttpwwwchmiczgt

83

Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacuteUacutestav procesniacuteho a ekologickeacuteho inženyacuterstviacute Akademickyacute rok 20122013

ZADAacuteNIacute DIPLOMOVEacute PRAacuteCE

student(ka) Bc Petr Lakva

kteryacutekteraacute studuje v magisterskeacutem navazujiacuteciacutem studijniacutem programu

obor Procesniacute inženyacuterstviacute (3909T003)

Ředitel uacutestavu Vaacutem v souladu se zaacutekonem č1111998 o vysokyacutech školaacutech a se Studijniacutem a zkušebniacutem řaacutedem VUT v Brně určuje naacutesledujiacuteciacute teacutema diplomoveacute praacutece

Vyacuteroba vodiacuteku z obnovitelneacuteho zdroje elektrickeacute energie

v anglickeacutem jazyce

Hydrogen production from renewable energy source

Stručnaacute charakteristika problematiky uacutekolu

Vyacuteroba elektrickeacute energie z obnovitelnyacutech zdrojů sebou přinaacutešiacute celou řadu probleacutemů Jedniacutem z nich je sladěniacute ziacuteskaneacuteho vyacutekonu do časovyacutech paacutesem s nejvyššiacute spotřebou Toho lze dosaacutehnout pouze využitiacutem některyacutech možnostiacute konzervace ziacuteskaneacute elektrickeacute energie do formy využitelneacute podle vznikleacute potřeby Takovou formou konzervace je vyacuteroba vodiacuteku jako energetickeacuteho paliva s vysokyacutem potenciaacutelem využitiacute

Ciacutele diplomoveacute praacutece

Rozbor problematiky vyacuteroby elektrickeacute energie ve větrnyacutech elektraacuternaacutech Popis větrnyacutech podmiacutenek lokality kde majiacute byacutet instalovaacuteny větrneacute elektraacuterny vyacuteběr typů a vyhodnoceniacute elektrickeacuteho vyacutekonu Popis a funkce moderniacutech elektrolyzeacuterů Způsoby skladovaacuteniacute vodiacuteku tlakoveacute naacutedrže hybridy kovů bezpečnost Obvyklaacute uspořaacutedaacuteniacute elektrickeacuteho zapojeniacute větrnyacutech elektraacuteren elektrolyzeacuterů a pomocnyacutech zařiacutezeniacuteProvozovaacuteniacute zařiacutezeniacute s využitiacutem zaacutesobniacuteků vodiacuteku pro vyrovnaacutevaacuteniacute časoveacuteho nesouladu mezi produkciacute elektrickeacute energie větrnyacutemi elektraacuternami a odběrem vodiacutekuNaacutevrh autonomniacute soustavy produkce vodiacuteku elektrolyacutezou vody kde potřebnaacute elektrickaacute energie je zabezpečena větrnyacutemi elektraacuternami resp z jinyacutech obnovitelnyacutech zdrojů

2

Seznam odborneacute literaturySA Sherif F Barbir TN Veziroglu Wind energy and the hydrogen economymdashreview of the technology Elsevier2005Detlef Stolten Dennis Krieg Michael Weber An Overview on Water ElectrolysisInstitute for Fuel Cells Juelich Research Center Germany WICaC 2010Richard Bourgeois PEAdvanced Alkaline ElectrolysisGE Global Research Center 2006

Vedouciacute diplomoveacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

Termiacuten odevzdaacuteniacute diplomoveacute praacutece je stanoven časovyacutem plaacutenem akademickeacuteho roku 20122013

V Brně dne 15112012

LS

_______________________________ _______________________________ prof Ing Petr Stehliacutek CSc prof RNDr Miroslav DoupovecCSc Ředitel uacutestavu dr h c Děkan fakulty

3

Abstrakt

Vyacuteroba vodiacuteku je technicky a ekonomicky vhodnaacute metoda uklaacutedaacuteniacute přebytků energie z obnovitelnyacutech zdrojů energie přestože tato technologie ještě neniacute dostatečně vyspělaacute v porovnaacuteniacute s ostatniacutemi možnostmi využitiacute obnovitelneacute energie V teacuteto praacuteci jsou spojeny dvě větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 330 kW spojeneacute s elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro toto spojeniacute by mělo zajistit lepšiacute využitiacute energie vyrobeneacute větrem Praacutece zkoumaacute dvě možnosti a to využitiacute vodiacuteku pro produkci el energie pomociacute palivovyacutech člaacutenků a využitiacute vodiacuteku jako alternativniacuteho paliva pro auta Tato praacutece představuje všeobecnyacute uacutevod do problematiky systeacutemu větrneacute elektraacuterny spojeneacute s vyacuterobou vodiacuteku Budouciacute studie by měly byacutet viacutece komplexniacute a detailniacute předevšiacutem je potřeba ziacuteskat dlouhodobaacute a přesnaacute data na zaacutekladě kteryacutech se daacute s většiacute přesnostiacute určit možnosti reaacutelneacuteho využitiacute tohoto systeacutemu a ukaacutezat možnosti využitiacute větrneacute energie v kontinuaacutelně se měniacuteciacutech energetickyacutech požadavciacutech lidstva

Kliacutečovaacute slova

vodiacutek větrnaacute energie větrneacute turbiacuteny lokaacutelniacute větrneacute podmiacutenky elektrolyacuteza elektrolyzeacuter uacutečinnost elektrolyacutezy spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku skladovaacuteniacute vodiacuteku hydridy kovů palivoveacute člaacutenky systeacutem palivovyacutech člaacutenků Mošnov Noveacute Dvorce Weibullova funkce kapacitniacute faktor vyacutekonovaacute charakteristika

Abstract

Hydrogen as a form of storage for the excess energy from renewable sources is a technically and economically viable option However the technology is not mature enough to compete with the other renewable energy possibilities In this thesis a study based on coupling two 330 kW wind-turbines with an NELP 40 electrolyzer this connection should improve the utilization of wind power In this thesis are two options of energy utilization The energy produced by the wind-turbine is stored in the form of hydrogen and is then delivered for consumption at variable power through a fuel cell second option is use of produced hydrogen as alternative fuel for cars This study is a general introduction for the wind energy system with hydrogen storage Future studies should be more complex and detailed in order to understand and model the system with greater accuracy and to increase the possibility for the utilization of wind energy to generate hydrogen This would enhance wind power competitiveness and sustain the continuously changing world energy demands

Key words

hydrogen wind energy wind turbines local wind conditions electrolysis electrolyzer efficiency of electrolysis consumption of electrolytic cell hydrogen storage metal hydrides fuel cells system of fuel cells Mošnov Noveacute Dvorce Weibull function capacity factor power curve

4

Bibliografickaacute citace

Lakva P Vyacuteroba vodiacuteku z obnovitelneacuteho zdroje energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2013 85 s Vedouciacute diplomoveacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

5

Čestneacute prohlaacutešeniacute

Prohlašuji že jsem byl seznaacutemen s předpisy pro vypracovaacuteniacute diplomoveacute praacutece a že jsem tuto praacuteci vypracoval samostatně a zaacuteroveň uvedl všechny použiteacute informačniacute zdroje

V Brně dne 20 5 2013 Petr Lakva

6

Poděkovaacuteniacute

Děkuji panu docentu Ing Jaroslavu Jiacutechovi CSc za poskytnuteacute konzultace a odbornou pomoc Daacutele bych chtěl poděkovat panu Ing Josefu Luťchovi CSc za přiacutenosneacute rady k tomuto projektu a takeacute svyacutem rodičům za podporu během celeacuteho studia

7

Obsah

Seznam použityacutech zkratek 10

Seznam použityacutech symbolů 11

Uacutevod 12

1Větrnaacute energie 14

11Větrneacute turbiacuteny 17

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek 18

2Elektrolyacuteza 24

21Princip elektrolyacutezy 24

22Typy elektrolyacutezy 25

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů 29

24Uacutečinnost elektrolyacutezy 31

25Napětiacute člaacutenků 31

26Vliv provozniacutech podmiacutenek 32

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku 33

3Metody uskladněniacute vodiacuteku 35

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu 37

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu 40

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů 42

34Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku 45

4Palivoveacute člaacutenky 47

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků 47

42Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků 48

43Princip funkce palivovyacutech člaacutenků 49

44Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků 51

45Typy palivovyacutech člaacutenků 52

8

46Systeacutem palivovyacutech člaacutenků 63

5Instalace ve světě 66

6Přiacutepadovaacute studie 69

61Vyacuteběr lokace 69

62Větrnaacute turbiacutena 69

63Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov 70

64Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce 73

65Elektrolyzeacuter 75

66Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta 77

Zaacutevěr 82

Seznam použiteacute literatury 83

Seznam přiacuteloh 85

9

Seznam použityacutech zkratek

AFC Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

ČHMUacute Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav

HF Vodiacutekovyacute filtr

ICI Imperial chemical industries

IR Infračerveneacute zaacuteřeniacute

MEA Membraacutenoveacute uskupeniacute

MCFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů

NASA Naacuterodniacute uacuteřad pro letectviacute a kosmonautiku

NHL Niacutezkyacute horniacute limit

OF Kysliacutekovyacute filtr

PAFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute

PEM Palivovyacute člaacutenek s polymerniacute membraacutenou

PLC Programovatelnyacute logickyacute automat

SOFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů

UV Ultrafialoveacute zaacuteřeniacute

VHL Vysokyacute horniacute limit

10

Seznam použityacutech symbolů

Symbol Vyacuteznam Jednotka

c Rozměrovyacute Weibull parametr -

CFA Kapacitniacute faktor -

CFAmax Maximaacutelniacute kapacitniacute faktor -

hrf Referenčniacute vyacuteška m

k Tvarovyacute Weibull parametr -

mH Hmotnost vyrobeneacuteho vodiacuteku kg

Pav Vyacutekon v naacutevrhoveacutem bodě kW

Pnom Nominaacutelniacute vyacutekon větrneacute turbiacuteny kW

Pwt Vyacutekon jedneacute větrneacute turbiacuteny kW

Pwf Vyacutekon obou větrnyacutech turbiacuten kW

Rgh Deacutelka turbulence -

Ur Naacutevrhovaacute rychlost větru ms-1

VH Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku za rok Nm3rok

vstr Středniacute rychlost větru ms-1

VV Objem vody potřebneacute k elektrolyacuteze l

Z Nadmořskaacute vyacuteška m

σw Standardniacute odchylka ms-1

Ostatniacute zde neuvedeneacute symboly jsou systematicky vysvětlovaacuteny v textu diplomoveacute praacutece

11

Uacutevod

Plneacute vyacutehody využitiacute vodiacuteku jako udržitelneacuteho zdroje paliva mohou byacutet dosaženy pouze v přiacutepadě že vodiacutek je produkovaacuten z obnovitelnyacutech zdrojů energie Využitiacute větrneacute a solaacuterniacute energie zaznamenalo v posledniacutech letech velkyacute pokrok Tento pokrok znamenaacute sniacuteženiacute ceny energie vyrobeneacute z těchto zdrojů Velmi často jsou takoveacute zdroje energie široce dostupneacute pokud napřiacuteklad bereme v uacutevahu Evropu jako celek v samotneacute Českeacute republice jsou možnosti využitiacute větru a slunečniacute energie relativně maleacute vzhledem k celkoveacute energetickeacute poptaacutevce na našem trhu Obnovitelneacute zdroje energie se mohou uplatnit v odlehlyacutech oblastech nebo v oblastech kde neniacute dostatečně vybudovaacutena elektrickaacute siacuteť a pokryacutet lokaacutelniacute energetickeacute požadavky Provoz solaacuterniacutech a větrnyacutech systeacutemů vysoce zaacutevisiacute na meteorologickyacutech podmiacutenkaacutech a tiacutem paacutedem je produkce elektřiny proměnnaacute v čase a často nereflektuje energetickeacute požadavky Řešeniacute tohoto probleacutemu je uloženiacute energie Energie se nejčastěji uklaacutedaacute pomociacute bateriiacute Baterie rychle ztraacuteciacute uloženou energii a mohou byacutet použity pouze v relativně kraacutetkeacutem časoveacutem uacuteseku Baterie majiacute takeacute limitovanou životnost Lepšiacute možnostiacute uloženiacute energie se jeviacute využitiacute vodiacutek jako nositele energie Molekulaacuterniacute vodiacutek v přiacuterodě neexistuje musiacute byacutet ziacuteskaacuten jinyacutemi způsoby Jedinaacute skutečně vyspělaacute technologie ziacuteskaacutevaacuteniacute vodiacuteku z obnovitelnyacutech zdrojů energie je elektrolyacuteza vody při ktereacute je molekula vody rozdělena na kysliacutek a vodiacutek použitiacutem elektrickeacute energie Elektrolyzeacutery jsou založeny na alkalickyacutech elektrolytech nebo protonoveacute membraacuteně kde je použit materiaacutel Nafion jako elektrolyt Stejnyacute materiaacutel je použit jako elektrolyt i v PEM palivovyacutech člaacutenciacutech Systeacutem elektrolyacutezy vody se sklaacutedaacute z elektrolytickyacutech člaacutenků nebo modulů fluidniacuteho subsysteacutemu dodaacutevajiacuteciacuteho vodu do člaacutenku a odvaacutedějiacuteciacuteho plyny ze člaacutenku a elektrickeacuteho subsysteacutemu Hlavniacutemi komponenty vodniacute elektrolyacutezy katoda anoda a separaacutetor Anoda a katoda musiacute byacutet odolneacute korozi a musiacute byacutet dobryacutemi elektrickyacutemi vodiči Kapacita produkce vodiacuteku pomociacute elektrolyacutezy se může pohybovat řaacutedově od několika cm3min až do tisiacuteců m3h Uacutečinnost procesu se řaacutedově pohybuje kolem 70 Proces elektrolyacutezy požaduje vysokou energetickou hustotu takže proce může byacutet velice drahyacute Vyacuteroba levneacuteho vodiacuteku může byacutet dosažena použitiacutem mimo-špičkoveacute elektrickeacute energie kdy je přebytek energie ze solaacuterniacutech panelů nebo větrneacute elektraacuterny použit pro proces elektrolyacutezy Vodiacutek je nejčastěji uložen ve formě stlačeneacuteho plynu v tlakovyacutech naacutedobaacutech ale existujiacute i dalšiacute možnosti uloženiacute vyrobeneacuteho vodiacuteku (v kapalneacutem stavu v pevnyacutech hydridech kovu a nebo v kapalnyacutech nosičiacutech např metanolu) V obdobiacute elektrickyacutech špiček ale při špatnyacutech povětrnostniacutech podmiacutenkaacutech může byacutet vodiacutek použit jako palivo do vysoce efektivniacutech palivovyacutech člaacutenků k uspokojeniacute elektrickeacute poptaacutevky Vodiacutek vyprodukovanyacute větrnou energiiacute lze použiacutet jako alternativniacute palivo do aut Hlavniacutemi průkopniacuteky použiacutevaacuteniacute vodiacuteku v automobiloveacutem průmyslu jsou značky BMW a Toyota Palivoveacute člaacutenky jsou zařiacutezeniacute produkujiacuteciacute elektrickou energii tak dlouho dokud je zajištěna dodaacutevka vodiacuteku jako paliva Člaacutenky pracujiacute na na přiacutemeacute elektrochemickeacute konverzi paliva dosahujiacute tak vysokeacute uacutečinnosti dosahujiacuteciacute 40 Systeacutemy využiacutevajiacuteciacute vodiacutek nabiacuteziacute flexibilitu v dimenzovaacuteniacute diacuteky modularitě elektrolyzeacuterů palivovyacutech člaacutenků a uskladněniacute vodiacuteku Komplikovanost systeacutemu založeneacuteho na vodiacuteku je velmi vysokaacute Pro zajištěniacute kontinuaacutelniacutech dodaacutevek je potřeba zajistit kvalitniacute management energetickyacutech toků mezi jednotlivyacutemi složkami systeacutemu

12

Provoz elektrolyzeacuteru a palivovyacutech člaacutenků v kombinaci s obnovitelnyacutemi zdroji energie přinaacutešiacute několik probleacutemu Prvniacutem probleacutemem je určeniacute velikosti elektrolyzeacuteru vzhledem k vyacutekonu větrneacute elektraacuterny nebo poli solaacuterniacutech panelů Jednou možnostiacute je navrhnout velikost elektrolyzeacuteru tak aby byl schopen přijmout veškeryacute vyacutekon vyprodukovanyacute vyacutekon nebo použiacutet elektrolyzeacuter s vyacutekonem nižšiacutem než je maximum zdroje V prvniacutem přiacutepadě bude elektrolyzeacuter pracovat se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem jako zdroj Toto řešeniacute je ovšem cenově meacuteně konkurenceschopneacute Druhaacute instalace je ekonomicky vyacutehodnějšiacute jelikož elektrolyzeacuter pracuje při vyššiacute kapacitě ale čaacutest elektrickeacute energie musiacute byacutet využito jinyacutem způsobem než pro vyacuterobu vodiacuteku Provoz elektrolyzeacuteru v kombinaci s obnovitelnyacutem zdrojem energie maacute několik probleacutemů ktereacute je potřeba řešit Obnovitelneacute zdroje jsou velmi nestaacuteleacute zdroje energie takto produkovaacutena může značně koliacutesat hodinu od hodiny den od dne obdobiacute od obdobiacute nebo rok od roku Proměnnyacute přiacutekon může způsobit probleacutemy s termoregulaciacute elektrolyzeacuteru Spraacutevnyacute provoz elektrolyzeacuteru zaacutevisiacute na předpoviacutedatelnyacutech pracovniacutech teplotaacutech Elektrolyzeacutery potřebujiacute určitou dobu na zahřaacutetiacute a provoz pod nominaacutelniacutem přiacutekonem může způsobit nižšiacute provozniacute teploty ktereacute majiacute za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti Komprese vodiacuteku se provaacutediacute piacutestovyacutemi a odstředivyacutemi kompresory Spotřeba kompresoru zaacutevisiacute na tlakoveacutem poměru proto je potřeba uvažovat o tlakovyacutech elektrolyzeacuterech ktereacute mohou sniacutežit celkovou spotřebu energie systeacutemu Sniacuteženiacute spotřeby je důsledkem odstraněniacutem elektrickeacute energie potřebneacute pro mechanickou kompresi Při elektrolyacuteze vznikaacute kromě vodiacuteku takeacute kysliacutek Kysliacutek je převaacutežně vypouštěn ze systeacutemu může byacutet použit při provozu palivoveacuteho člaacutenku zlepšuje totiž jeho vyacutekon Cena kysliacuteku je asi 4x menšiacute než cena vodiacuteku takže je potřeba zvaacutežit zda se vyplatiacute kysliacutek uklaacutedat při dalšiacutech naacutekladech Produkce vodiacuteku požaduje dostatečneacute množstviacute čisteacute vody Nečistoty obsaženeacute ve vodě mohou vyacuteznamně ovlivnit životnosti elektrolytickyacutech člaacutenků Voda je obvykle čištěna přiacutemo na miacutestě instalace čištěniacute vody může byacutet dalšiacutem naacutekladem při produkci vodiacuteku Při provozu elektrolyzeacuteru nastaacutevaacute kraacutetkodobeacute zvyšovaacuteniacute napětiacute způsobeneacute ustaveniacutem rovnovaacutehy obsahu vody v membraacuteně a oxidaciacute katalyzaacutetoru a dalšiacutech kovovyacutech komponentů Současneacute palivoveacute člaacutenky majiacute relativně kraacutetkou životnost kvůli degradaci membraacuteny Životnost elektrolyzeacuteru a palivoveacuteho člaacutenku je potřeba zohlednit při naacutevrhu systeacutemu Dalšiacutem velmi důležityacutem probleacutemem tyacutekajiacuteciacutem se vodiacuteku je bezpečnost Nespraacutevneacute zachaacutezeniacute a skladovaacuteniacute může způsobit určiteacute nebezpečiacute protože vodiacutek maacute niacutezkou teplotu vzniacuteceniacute a je velmi hořlavyacute Plamen hořiacuteciacuteho vodiacuteku je teacuteměř neviditelnyacute lehce tak může způsobit zraněniacute jelikož je těžce pozorovatelnyacute Vodiacutek je těkavyacute a neniacute toxickyacute Naacuteležitaacute ochrana a spraacutevneacute použitiacute systeacutemů využiacutevajiacuteciacute vodiacutek by mělo zaručit bezpečnost a spraacutevnou funkci

13

1Větrnaacute energie

Větrnaacute energie je energie pohybujiacuteciacute se vzduchoveacute masy Pohyb vzduchoveacute masy je způsoben rozdiacutelem teplot v atmosfeacuteře Slunečniacute zaacuteřeniacute ohřiacutevaacute vzduch kteryacute naacutesledně stoupaacute do vyššiacutech pater atmosfeacutery Tento pohyb vzduchu maacute za naacutesledek vytvořeniacute zoacuten nižšiacuteho tlaku vzduchu Tok vzduchu tzn viacutetr tyto tlakoveacute diference vyrovnaacutevaacute Větrnaacute energie je slunečniacute energie přeměněnaacute na kinetickou energii pohybujiacuteciacuteho se vzduchu Větrnaacute energie je globaacutelně nejrychleji rostouciacute sektor vyacuteroby energie z obnovitelnyacutech zdrojů Instalovanyacute vyacutekon v zemiacutech Evropskeacute unie dosaacutehl v roce 2012 100 GW polovina teacuteto kapacity byla instalovanaacute v posledniacutech 6 letech Obraacutezek 1 ukazuje vyacutevoj instalovaneacuteho vyacutekonu

Obr 1 Instalovanyacute vyacutekon větrnyacutech elektraacuteren v EU [14]

Větrneacute elektraacuterny tohoto vyacutekonu jsou schopny pokryacutet potřebu elektrickeacute energie pro 57 milioacutenů domaacutecnostiacute Ekvivalentniacute vyacutekon v uhelnyacutech elektraacuternaacutech by byl dosažen po spaacuteleniacute 72 milioacutenů tun uhliacute což představuje cca 750 000 vagoacutenůI přes tento rozvoj pouze vybraneacute lokality majiacute charakteristiky rychlosti a staacutelosti větru vhodneacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Hraniciacute ekonomickeacute naacutevratnosti investice je pro větrneacute elektraacuterny umiacutestěneacute ve vnitrozemiacute hodnota průměrneacute rychlosti větru 6 ms pro elektraacuterny umiacutestěneacute na moři je tato hodnota 7 ms vyššiacute hodnota je způsobena zejmeacutena zvyacutešenyacutemi investičniacutemi naacuteklady na instalaci tzv off-shore elektraacuteren Prvotniacutem krokem vybraacuteniacute vhodneacute lokality pro instalaci větrneacute elektraacuterny je průzkum satelitniacutech dat o průměrneacute rychlosti větru Zdrojem těchto dat je velkeacute množstviacute instituciacute na obr 2 je mapa vytvořena společnostiacute NASA přesněji satelitem GEOS-1 kteraacute zobrazuje ročniacute průměrnou rychlost ve vyacutešce 50 m Pro českeacute investory budou nejzajiacutemavějšiacute informace ČHMUacute kteryacute je schopen za poplatek dodat informace o směru a rychlosti větru v Českeacute republice Data jsou ovšem nepřiacutemaacute naměřeneacute hodnoty z meteorologickyacute stanic jsou aproximovanaacute pomociacute

0

25

50

75

100

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011

Vyacuteko

n [G

W]

Rok

14

matematickyacutech modelů Tyto mapoveacute podklady sloužiacute k přibližneacutemu určeniacute vhodneacute lokality Konečneacute rozhodnutiacute o instalaci by mělo byacutet založeno na dlouhodobeacutem měřeniacute na konkreacutetniacutem miacutestě plaacutenovaneacute vyacutestavby větrneacute elektraacuterny

Obr 2 Průměrnaacute rychlost větru ve vyacutešce 50 m [15]

Miacutesta s největšiacutem potenciaacutelem pro využitiacute větrneacute energie jsou nad oceaacuteny naopak miacutesta s jednou z nejhoršiacutech využitelnostiacute větrneacute energie jsou centraacutelniacute regiony velkyacutech světadiacutelů Nejvhodnějšiacute lokality pro využiacutevaacuteniacute větrneacute energie jsou pobřežniacute regiony Pobřežniacute regiony jsou znaacutemeacute silnyacutem větrem a velkyacutem poměrem světoveacute populace tzn odběratelů elektrickeacute energie Větrnaacute energie trpiacute stejnyacutem neduhem jako většina zdrojů obnovitelneacute energie a to nestaacutelostiacute a značnyacutemi sezoacutenniacutemi rozdiacutely Je velmi složiteacute přesně předpovědět energetickyacute vyacutestup z větrnyacutech zdrojů Rozvodnaacute siacuteť je schopna tyto sezonniacute vyacutekyvy absorbovat ale pouze v přiacutepadě že větrnaacute energie tvořiacute meacuteně než 20 celkoveacute kapacity siacutetě Diacuteky nestaacutelosti větrneacute energie větrneacute turbiacuteny pracujiacute s niacutezkyacutem kapacitniacutem faktorem Podiacutel větrneacute energie může byacutet vyacuterazně zvyacutešen použitiacutem skladovaciacutech technologiiacute Skladovaciacutech technologiiacute je celaacute řada pro svou praacuteci jsem si vybral jako nejslibnějšiacute technologii použitiacute vodiacuteku jako energetickeacuteho nositele Využitiacute vodiacuteku k vyacuterobě elektřiny je kontrolovatelneacute a dokaacuteže pokryacutet energetickeacute vyacutekyvy v době kdy větrneacute elektraacuterny do siacutetě elektrickou energii nedodaacutevajiacute Pro zajištěniacute spolehlivosti energetickeacuteho zdroje a optimalizaci naacutekladů na instalaci je potřeba najiacutet vhodnyacute vztah mezi jmenovityacutem vyacutekonem větrneacute elektraacuterny a vyacutekonem vodiacutekoveacuteho systeacutemu Vzdušneacute prouděniacute je proměnneacute nejenom v kraacutetkeacutem časoveacutem horizontu ale zaacuteroveň se měniacute i v raacutemci ročniacuteho obdobiacute Tato proměnnost značně ovlivňuje vyacutekonnost celeacuteho systeacutemu Větrnaacute energie se měniacute takeacute teacuteměř z hodiny na hodinu proto je potřeba vytvořit strategii pro pracovniacute režimy elektrolyzeacuteru tak aby nedochaacutezelo k časteacutemu vypiacutenaacuteniacute a zapiacutenaacuteniacute systeacutemu v zaacutevislosti na variaci větrneacute energie Přesnaacute předpověď vyacutevoje rychlosti větru zahrnuta do plaacutenovaciacutech a provozniacutech naacutestrojů systeacutemu může systeacutem značně vylepšit

15

Vyacuteroba vodiacuteku pomociacute větrneacute energie se děje pomociacute elektrolyacutezy vody tento vyacuterobniacute postup je vysvětlen v kapitole ldquoelektrolyacutezardquo Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutem rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute Pomocnaacute energie je dodaacutevanaacute ze stabilniacuteho regulovatelneacuteho zdroje V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Kombinace zdroje jako je větrnaacute elektraacuterna s elektrolyzeacutery může miacutet za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti kvůli ztraacutetaacutem způsobenyacutech konverziacute elektrickeacute energie ze stejnosměrneacute na střiacutedavou a naopak Jak usměrňovače tak invertory spotřebujiacute čaacutest energie Tyto zařiacutezeniacute mohou v ideaacutelniacutech podmiacutenkaacutech pracovat s uacutečinnostiacute kolem 93 - 95 bohužel velmi proměnou energii ziacuteskaacutevanou s větru nemůžeme považovat za ideaacutelniacute podmiacutenky tomu odpoviacutedaacute i znatelně menšiacute uacutečinnost Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute

16

11Větrneacute turbiacuteny

111Technologie

Nejčastěji použiacutevanaacute větrnaacute turbiacutena je tzv vztlakovyacute třiacutelistyacute rotor s vodorovnou osou otaacutečeniacute Pracuje na principu leteckeacute vrtule kdy viacutetr obteacutekaacute lopatky Lopatkyjsou asymetricky tvarovaacuteny proto na každeacute straně lopatky maacute obteacutekajiacuteciacute vzduch jinou

Obr 3 Zjednodušeneacute scheacutema větrneacute elektraacuterny [14]

rychlost to vytvaacuteřiacute tlakovou diferenci ktereacute maacute v konečneacutem důsledku za naacutesledek vytvořeniacute vztlakovyacutech sil ktereacute rotor roztaacutečiacute Hnaciacute uacutestrojiacute je obvykle tvořeno niacutezko-rychlostniacute hřiacutedeliacute kteraacute připojuje rotor k převodovce Převodovka je 2 až 3 stupňovaacute tzv rychlost zvyšujiacuteciacute Převodovka je připojena vysoko-rychlostniacute hřiacutedeliacute ke generaacutetoru Generaacutetory jsou typicky asynchronniacute indukčniacute a pracujiacute v rozmeziacute 550 - 690 V Některeacute turbiacuteny mohou byacutet vybaveny přiacutedavnyacutem generaacutetorem zlepšujiacuteciacutem produkci při niacutezkeacute rychlosti větru Přiacutedavnyacute generaacutetor může byacutet oddělenyacute nebo integrovanyacute v hlavniacutem generaacutetoru Součaacutestiacute větrnyacutech turbiacuten je i transformaacutetor kteryacute pomociacute elektromagnetickeacute indukce zvyšuje napětiacute proudu vznikajiacuteciacuteho ve větrneacute elektraacuterně Sběrnyacute systeacutem na miacutestě větrneacute elektraacuterny obvykle operuje se středniacutem napětiacute cca 25 - 35 kV Obraacutezek 3 zobrazuje zaacutekladniacute čaacutesti typickeacute větrneacute elektraacuterny Typickaacute větrnaacute elektraacuterna je vybavena regulačniacutem systeacutemem naklaacutepěniacute Pomociacute tohoto zařiacutezeniacute jsou uacutehly naacuteběhu listu rotoru staacutele regulovaacuteny tak aby byl rotor optimaacutelně přizpůsoben aktuaacutelniacutem větrnyacutem podmiacutenkaacutem Při vyššiacutech rychlostech větru regulačniacute systeacutemy zajišťujiacute aby vyacutekon elektraacuterny byl co možnaacute nejbliacuteže jmenoviteacuteho vyacutekonu Při nižšiacutech rychlostech optimalizujiacute předaacutevaacuteniacute vyacutekonu nastaveniacutem optimaacutelniacuteho počtu otaacuteček a optimaacutelniacuteho uacutehlu nastaveniacute rotorů Veškereacute funkce elektraacuterny jsou kontrolovaacuteny a řiacutezeny řiacutediacuteciacute jednotkou kteraacute je umiacutestěna

17

většinou ve věži Změny uacutehlu nastaveniacute listů rotoru jsou aktivovaacuteny pomociacute mžikoveacuteho ramene hydraulickyacutem systeacutemem kteryacute umožňuje listům rotovat axiaacutelně Elektricky pohaacuteněneacute převody se starajiacute o nataacutečeniacute celeacute gondoly ve směru větru Pohyb je uskutečňovaacuten pomociacute pastorku v gondole zasahujiacuteciacuteho do zubů otočneacuteho věnce kteryacute je upevněn na vrchniacute čaacutesti věže [2] Ložiskovyacute systeacutem směrovaacuteniacute větru je systeacutem kluzneacuteho ložiska se zabudovanou frikčniacute a blokujiacuteciacute funkciacute Listy rotoru jsou vyrobeny z epoxidoveacute pryskyřice vyztuženeacute skelnyacutem vlaacuteknem Každyacute list rotoru se sklaacutedaacute ze dvou polovin ktereacute jsou spojeny s nosnou traverzou Zvlaacuteštniacute oceloveacute vložky k ukotveniacute spojujiacute listy rotoru s ložiskem Brzděniacute rotoru probiacutehaacute pomociacute nastaveniacute listů Parkovaciacute brzda se nachaacuteziacute na vysokorychlostniacutem hřiacutedeli Gondola chraacuteniacute vnitřniacute komponenty elektraacuterny před povětrnostniacutemi podmiacutenkami a zviacuteřectvem Gondola je nejčastěji vyrobena z plastu[1]

Obr 4 Vztah rychlosti větru a vyacutekonu větrneacute elektraacuterny [8]

Jak je ukaacutezaacuteno na obraacutezku 4 vyacutekon větrneacute elektraacuterny je funkciacute rychlosti větru Vztah mezi vyacutekonem a rychlostiacute větru je definovaacuten pomociacute tzv vyacutekonoveacute charakteristiky kteraacute je unikaacutetniacute pro každou turbiacutenu v některyacutech přiacutepadech se může lišit i v zaacutevislosti na umiacutestěniacute elektraacuterny Pokud se budeme snažit generalizovat tak většina elektraacuteren začiacutenaacute produkovat vyacutekon při rychlosti větru okolo 2 ms jmenoviteacuteho vyacutekonu dosaacutehne okolo 13 ms a k odstaveniacute kolem 25 mskdy je nebezpečiacute poškozeniacute mechanickyacutech čaacutestiacute elektraacuterny a proto dojdek zabrzděniacute rotoru Proměnnost větru maacute za naacutesledek neustaacutelou změnu vyacutekonu Větrnaacute elektraacuterna umiacutestěna v lokaci s dobrou charakteristikou větru je schopna v ročniacutem průměru produkovat maximaacutelně 35 sveacute možneacute kapacity

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek

121Všeobecně

Vzhledem k tomu že větrneacute podmiacutenky jsou specifickeacute pro danou lokalitu a jsou vyacuterazně ovlivněny topologiiacute tereacutenu i překaacutežkami v okoliacute instalovaneacute větrneacute elektraacuterny je nutneacute ziacuteskat co nejpřesnějšiacute kvantitativniacute popis těchto podmiacutenek Elektrickeacute energie produkovanaacute danou větrnou elektraacuternou se vyacuterazně měniacute s odchylkami rychlosti větru od jejiacute středniacute hodnoty Jestliže 50 časoveacuteho uacuteseku

18

je rychlost větru 12 ms a 50 je rychlost 0 ms větrnaacute elektraacuterna vyrobiacute podstatně viacutece energie energie než když 100 tohoto času je rychlost větru 6 ms [3] Tato skutečnost vyplyacutevaacute ze zaacutevislosti vyacutekonu větrneacute elektraacuterny na třetiacute mocnině rychlosti větru [4] Pro vyhodnoceniacute očekaacutevaneacute produkce elektrickeacute energie v daneacute lokalitě je nutnaacute znalost distribuce rychlosti větru

122Počiacutetačoveacute modelovaacuteniacute

V širšiacutem měřiacutetku je možno modelovat průběh rychlosti větru počiacutetačovyacutem modelovaacuteniacutem Speciaacutelniacute vyacutepočetniacute algoritmy dokaacutežiacute popsat vliv různyacutech parametrů na rychlost větru jako je nadmořskaacute vyacuteška topografie a povrch tereacutenu Tyto modely musiacute použiacutevat vstupniacute data o charakteru větru ze znaacutemeacute lokace Roli těchto znaacutemyacutech lokaciacute zastupujiacute předevšiacutem meteorologickeacute stanice ktereacute nabiacuteziacute přesneacute měřeniacute směru a rychlosti větru pro daneacute miacutesto

Obr 5 Průměrnaacute rychlost větru v 10 m [16]

Tyto viacutetr mapujiacuteciacute programy dle znaacutemyacutech hodnot odvodiacute hodnoty rychlostiacute větru pro specifickou vyacutešku a miacutesto na zaacutekladě těchto hodnot se vytvaacuteřiacute tzv atlas větru Atlasy větru jsou vydaacutevaacuteny ve velkeacute množstviacute měřiacutetek od globaacutelniacutech map po mapy lokaacutelniacute U naacutes je zdrojem těchto map předevšiacutem ČHMUacute kteryacute tyto mapy poskytuje potencionaacutelniacutem investorům za uacuteplatu Větrneacute mapy reprezentujiacute nejlepšiacute

19

odhad větrnyacutech zdrojů na velkeacutem uacutezemiacute Nemohou však zastoupit měřeniacute větru přiacutemo na miacutestě anemometrem Sloužiacute k vybraacuteniacute lokality s větrnyacutem potenciaacutelem Dalšiacute vyhodnoceniacute vyacutenosnosti větrneacute elektraacuterny probiacutehaacute již na samotneacutem miacutestě budouciacute instalace a to vyhodnoceniacutem lokaacutelniacutech podmiacutenek ovlivňujiacuteciacutech rychlost prouděniacute větru

123Měřeniacute v miacutestě umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny

Měřeniacute rychlosti se provaacutediacute anemometrem umiacutestěnyacutem v předpoklaacutedaneacute vyacutešce rotoru aby byly vyacutesledky co možnaacute nejviacutece reprezentativniacute Samotneacute měřeniacute se obvykle provaacutediacute v průběhu jednoho roku Tato informace se uvaacutediacute nejčastěji formou sloupcoveacuteho diagramu např obr 6 kteryacute udaacutevaacute procentuaacutelniacute vyacuteskyt rychlosti větru

Obr 6 Četnost vyacuteskytu rychlostiacute větru proloženyacutech funkciacute Weibull

ve třiacutedaacutech o šiacuteřce 1 ms Ze sloupcoveacuteho grafu se vyhodnocuje středniacute rychlost větru zpravidla během jednoho roku většinou tzv Weibullovyacutem rozděleniacutem (fialovaacute křivka na obraacutezku 6) Středniacute rychlost je daacutele použiacutevaacutena při vyacutepočtech vyacutekonu Weibullova funkce je pravděpodobnostniacute dvouparametrovaacute funkce kteraacute maacute tvar

p(v) = kA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ sdot

vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdoteminus vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

kde p(v) pravděpodobnost vyacuteskytu rychlosti v v rychlost větru [ms] k tvarovyacute parametr [-] A parametr měřiacutetka [ms]

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Čet

nost

vyacutes

kytu

[]

Rychlost větru [ms]

20

Rychlost větru je nejnižšiacute na zemskeacutem povrchu a zvyšuje se se stoupajiacuteciacute vyacuteškou tento jev je spojen s vyacuteskytem mezniacute vrstvy při povrchu Vyacutekon větrneacute elektraacuterny je

Obr 7 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

v podstatě uacuteměrnyacute třetiacute mocnině středniacute rychlosti větru Hlavniacute snahou je tedy umiacutestit rotor co možnaacute nejvyacuteše Tento jev je ilustrovaacuten uvedenyacutem vertikaacutelniacutem rychlostniacutem profilem na obraacutezku 7 Z uvedeneacuteho grafu je patrneacute zvyacutešeniacute rychlosti až do vyacutešky 40 - 50 m Kvantitativně tento jev shrnuje obecnaacute tabulka 1 v přiacutepadě je uvažovaacuten nominaacutelniacute vyacutekon při vyacutešce osy rotoru 10 m potom je růst vyacutekonu s rostouciacute vyacuteškou naacutesledujiacuteciacute

Vyacuteška osy rotoru

Zvyacutešeniacute vyacutekonu

10 m 0

19 m 41

27 m 75

36 m 100

46 m 125

Tab 1 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vyacutešk

a [m

]

Rychlost větru[ms]

21

124 Miacutestniacute faktory ovlivňujiacuteciacute rychlost větru

Rychlost větrneacuteho prouděniacute neovlivňujiacute pouze globaacutelniacute faktory jako je topografie geografickeacute umiacutestěniacute a dalšiacute faktory širšiacuteho charakteru Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru se měniacute takeacute s drsnostiacute povrchu turbulenciacute za překaacutežkami Zvyacutešenaacute drsnost povrchu v protisměru převlaacutedajiacuteciacuteho větru může zvyacutešit jeho rychlost v ose rotoru s naacuteslednyacutem zvyacutešeniacutem vyacutekonu [2] Pro kvantitativniacute vyhodnoceniacute vlivu drsnosti povrchu na rychlost větru se použiacutevaacute vztah mezi vyacuteškami osy rotoru a odpoviacutedajiacuteciacutemi rychlostmi větru a vypadaacute takto

kde v rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce osy rotoru h vref rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce rotoru href α exponent jehož hodnota vyjadřuje charakter drsnosti

Pro danou lokalitu je potřebneacute naleacutezt hodnotu exponentu α z vyacutesledků měřeniacute rychlosti větru Typickeacute obecneacute hodnoty exponentů pro větrnou elektraacuternu s referenčniacute vyacuteškou 35 m jsou v tabulce 2

Drsnost povrchu α [ - ]

Faktor zvyacutešeniacute [ - ]

Velmi niacutezkaacute (klidnaacute hladina moře)

010 145

Niacutezkaacute (louky pole)

016 182

Průměrnaacute (les křoviny)

020 212

Vyššiacute (vesnice roztroušeneacute domy)

028 286

Vysokaacute (město s vysokyacutemi budovami)

040 450

Tab 2 Hodnoty exponentu α [4]

Dalšiacutem důležityacutem faktorem ovlivňujiacuteciacutem rychlost větru a chod větrneacute elektraacuterny je turbulence Turbulence je charakterizovanaacute rychlyacutemi změnami rychlosti větru a je měřena standardniacute odchylkou σ od středniacute hodnoty okamžiteacute rychlosti větru zaznamenanyacutech každeacute 2 sekundy po dobu 10 minut Intenzita turbulence je definovanaacute ke středniacute hodnotě rychlosti větru vstr je často definovanaacute jako

v = vref sdothhref

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

α

22

Intenzitu turbulence v miacutestě zamyacutešleneacute instalace větrneacute elektraacuterny je potřebneacute porovnat se standarty mezinaacuterodniacute elektrotechnickeacute komise IEC Tyto standarty pomaacutehajiacute při určeniacute zda turbulence v daneacutem miacutestě nejsou mimo předepsaneacute limity Pokud hodnoty intenzity turbulenciacute přesahujiacute limity způsobily by zkraacuteceniacute životnosti větrneacute elektraacuterny hlavně vlivem uacutenavy konstrukčniacutech materiaacutelů IEC standarty použiacutevajiacute 2 hodnoty

vysokyacute horniacute limit VHL = 012middotvstr+095 niacutezkyacute horniacute limit NHL = 012middotvstr+060

Je-li intenzita turbulence menšiacute než niacutezkyacute horniacute limit je lokalita vhodnaacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Pokud je intenzita většiacute než vysokyacute horniacute limit vyacutestavba neniacute vhodnaacute Turbulence děliacuteme podle druhu vzniku na mechanickou termickou a dynamickou Mechanickaacute turbulence vznikaacute třeniacutem proudiacuteciacuteho vzduchu o nerovnyacute zemskyacute povrch Intenzita mechanickeacute turbulence je zaacutevislaacute na členitosti tereacutenu (stromy les budovy) a na rychlosti větru Zvlaacuteštniacutem druhem mechanickeacute turbulence je turbulence orografickaacute Orografickaacute turbulence vznikaacute důsledkem prouděniacute vzduchu přes horskeacute překaacutežky Tato turbulence vznikaacute i při stabilniacutem zvrstveniacute vzduchu v důsledku vyacuterazneacute deformace vzdušneacuteho proudu V zaacutevětřiacute horskyacutech hřebenů vznikajiacute vertikaacutelniacute pohyby o rychlosti plusmn 10 ms Jeseniacuteky jsou u pilotů kluzaacuteku vyhledaacutevaacuteny praacutevě kvůli časteacutemu vyacuteskytu orografickeacute turbulence kteraacute jim dovoluje provaacutedět přelety v řaacutedech stovek kilometrů Termickaacute turbulence vznikaacute v důsledku labilniacuteho zvrstveniacute atmosfeacutery při prouděniacute studeneacuteho vzduchu nad teplejšiacute povrch nebo v důsledku nerovnoměrneacuteho ohřevu zemskeacuteho povrchu Dynamickaacute turbulence vznikaacute v oblastech velkeacuteho střihu větru Nejčastěji je spojena s oblastmi proudoveacuteho toku

I = σvstr

23

2Elektrolyacuteza

Viacutece než 400 průmyslovyacutech vodniacutech elektrolyzeacuterů bylo v provozu na začaacutetku devatenaacutecteacuteho stoletiacute V roce 1939 byla vybudovaacutena prvniacute velkaacute tovaacuterna v Lonze využiacutevajiacuteciacute vodniacute elektrolyacutezu kteraacute produkovala 10000 Nm3 H2 hod Převaacutežnaacute většina světově produkovaneacuteho vodiacuteku je spotřebovaacutena v petrochemickeacutem průmyslu a při vyacuterobě amoniaku a methanolu Elektrolytickyacute vodiacutek je využiacutevaacuten v menšiacutech aplikaciacutech zvlaacuteště tam kde je požadovaacutena vysokaacute čistota vodiacuteku V potravinaacuteřskeacutem průmyslu je vodiacutek použiacutevaacuten pro zvyacutešeniacute stupně nasyceniacute u tuků a olejů zvyšuje tak jejich bod taacuteniacute a odolnost vůči oxidaci V elektronickeacutem průmyslu je použiacutevaacuten jako redukčniacute činidlo v epitaxaacutelniacutem růstu polysilikonu a ve vyacuterobě integrovanyacutech obvodů V jaderneacutem průmyslu vodiacutek zastupuje roli čističe kysliacuteku kdy odstraňuje kysliacutekoveacute stopy ktereacute mohou způsobit korozniacute poškozeniacute materiaacutelu Maleacute množstviacute vodiacuteku je použiacutevaacuteno takeacute ve farmaceutickeacutem sklaacuteřskeacutem a plasma průmyslu Diacuteky sveacute dobreacute tepelneacute vodivosti je použiacutevaacuten jako chladiacuteciacute meacutedium v elektrickyacutech generaacutetorech elektraacuteren Proces elektrolyacutezy je elektrochemickyacute rozpad molekuly vody na jednotliveacute složky jmenovitě vodiacutek a kysliacutek [7] Podle druhu elektrolytu použiacutevaneacuteho pro přenos elektrickeacuteho proudu v procesu děliacuteme elektrolyacutezu vody na 4 zaacutekladniacute typy Na začaacutetku 19 stoletiacute použiacutevaly prvniacute zařiacutezeniacute na elektrolyacutezu jako elektrolyt kyselinu později bylo od teacuteto metody odstoupeno převaacutežně pro probleacutemy s koroziacute Elektrolyzeacutery použiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolytickou membraacutenu jsou druhyacutem typem Použitaacute membraacutena vodiacute protony a nepropouštiacute kysliacutek Tato technologie je relativně novaacute takže v současneacute době neexistujiacute velkeacute aplikace tohoto druhu elektrolyacutezy Dalšiacutem typem elektrolyacutezy je tzv parniacute elektrolyacuteza probiacutehajiacuteciacute při vysokeacute teplotě použiacutevajiacuteciacute keramickyacute elektrolyt vodiacuteciacute kysliacutekovyacute ion tento způsob maacute potenciaacutel pro vysokou uacutečinnost v současneacute době prokaacutezanou pouze laboratorně V dnešniacute době je nejrozšiacuteřenějšiacute elektrolyacuteza použiacutevajiacuteciacute alkalickyacute elektrolyt nejčastěji hydroxid draselnyacute

21Princip elektrolyacutezy

Při vedeniacute stejnosměrneacuteho proudu mezi dvěma elektrodami ve vodě vznikaacute vodiacutek kysliacutek a teplo podle naacutesledujiacuteciacute rovnice

Čistaacute voda je ovšem špatně vodivaacute proto se musiacute byacutet přidaacuten vodivyacute elektrolyt kteryacute zajistiacute technicky akceptovatelnou uacuteroveň potřebneacuteho napětiacute Elektrickeacute napětiacute přivedeneacute na elektrody musiacute přesaacutehnout minimaacutelniacute hodnotu tak aby reakce proběhla Hodnota tohoto napětiacute je určena Gibbsovou entalpiiacute rozkladu vody a je funkciacute tlaku a teploty Za standardniacutech podmiacutenek (teplota 25 degC tlak 1 bar) je to 123 V Teoretickaacute energie potřebnaacute pro průběh elektrolyacutezy se vyjadřuje pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vyacuterazu

kde ΔH změna entalpie reakce ΔG změna Gibbsovy volneacute energie T teplota a ΔS změna entropie Změna entalpie při standardniacutech podmiacutenkaacutech je 2858 kJmol Změna Gibbsovy volneacute energie je při standardniacutech podmiacutenkaacutech 2372 kJmol To znamenaacute

H2O⎯rarr⎯ H2 +12O2

ΔH = ΔG +T sdot ΔS

24

že 2372 kJ mol z 2858 kJmol musiacute byacutet dodaacuteno elektrickyacutem proudem a zbylaacute čaacutest může byacutet dodaacutena elektrickyacutem proudem nebo teplem V reaacutelnyacutech podmiacutenkaacutech pro niacutezkoteplotniacute elektrolyacutezy je však veškeraacute potřebnaacute energie dodaacutena elektrickyacutem proudem [8] Dalšiacute termodynamickou charakteristikou elektrolyacutezy je reverzibilniacute napětiacute Vyjadřuje minimaacutelniacute elektrickyacute potenciaacutel potřebnyacute k elektrolytickeacute reakci při standardniacutech podmiacutenkaacutech se rovnaacute 123 V

kde 2 je počet elektronů potřebnyacutech k rozděleniacute molekuly vody a F je Faradayova konstanta Termoneutraacutelniacute napětiacute je napětiacute při ktereacutem by pracoval dokonale efektivniacute člaacutenek v přiacutepadě že veškereacute potřebnaacute energie je dodaacutevaacutena elektrickyacutem proudemPro standardniacute podmiacutenky se rovnaacute 148 V a je vyjaacutedřeno naacutesledujiacuteciacutem vztahem

Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem menšiacutem než je napětiacute reverzibilniacute nedojde k rozkladu molekuly vody Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem v rozmeziacute mezi reverzibilniacutem a termoneutraacutelniacutem napětiacute elektrolytickyacute proces je endotermickyacute Je potřeba dodat teplo pro rozpad molekuly vody Napětiacute většiacute než termoneutraacutelniacute napětiacute maacute za naacutesledek že proces je exotermickyacute a veškeraacute energie je dodaacutena z elektrickeacuteho proudu Přidaneacute teplo je potřeba odstranit Reversibilniacute i termoneutraacutelniacute napětiacute jsou funkcemi teploty tlaku a složeniacute elektrolytu [8] Zaacutekladniacutemi čaacutestmi člaacutenku na vodniacute elektrolyacutezu je katoda anoda a oddělovač Katoda musiacute byacutet odolnaacute korozi umiacutestěnaacute v elektrolytu s redukčniacutem potenciaacutelem Katoda musiacute byacutet dobryacute vodič a miacutet strukturaacutelniacute celistvost Elektrody jsou od sebe odděleny membraacutenou nepropouštějiacuteciacute plyny

22Typy elektrolyacutezy

221Alkalickaacute elektrolyacuteza

Alkalickaacute elektrolyacuteza je v současnosti komerčně nejpoužiacutevanějšiacute elektrolyacutezou Tři největšiacute elektrolyzeacutery byly instalovaacuteny ve 40 letech na dodaacutevky vodiacuteku do zařiacutezeniacute na vyacuterobu amoniaku a naacuteslednou vyacuterobu hnojiva Tyto elektrolyzeacutery jsou umiacutestěny v Indii (De Nora) Norsku (Norsk-Hydro) a Egyptě (Demag) Obraacutezek 8 scheacutematicky zobrazuje alkalickyacute elektrolytickyacute člaacutenek

Erev =ΔG2 sdotF

Etn =ΔH2 sdotF

25

Obr 8 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [8]

V alkalickeacutem člaacutenku probiacutehaacute naacutesledujiacuteciacute zjednodušenaacute reakce

V elektrolytu 2H2O⎯rarr⎯ 2H + + 2OH minus

Na katodě 2H + + 2eminus ⎯rarr⎯ H2

Na anodě 2OH minus ⎯rarr⎯ 1

2+ H2O + 2eminus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ H2 +O2

Alkalickaacute elektrolyacuteza probiacutehaacute při teplotě kolem 80degC a při tlaku v rozmeziacute 1 až 30 barů Pro průběh elektrolyacutezy je zapotřebiacute zajistit plynulyacute pohyb hydroxidovyacutech ionů (OH-) z katody na anodu ale zabraacutenit smiacutechaacuteniacute produkovanyacutech plynů Tyto požadavky splňuje tzv separaacutetor (membraacutena nebo clona) Separaacutetorje umiacutestěn mezi elektrody a diacuteky svyacutem charakteristickyacutem vlastnostem propouštiacute hydroxidoveacute iony zatiacutemco zabraňuje v pronikaacuteniacute jednotlivyacutech plynů Voda je obvykle přidaacutevaacutena do cirkulujiacuteciacuteho elektrolytu je to takeacute způsob jak odstranit odpadoveacute teplo z reakce a kontrolovat teplotu procesu Tradičniacute alkalickeacute elektrolyzeacutery jsou konstruovaacuteny pomociacute tzv zero gap design (naacutevrh bez mezery) kde anoda i katoda jsou umiacutestěny do bezprostředniacute bliacutezkosti separaacutetoru Umiacutestěniacute obou elektrod bliacutezko sebe maacute za naacutesledek sniacuteženiacute ohmickyacutech ztraacutet v elektrolytu Pokud se při elektrolyacuteze vytvaacuteřiacute bublinky plynů jsou transportovaacuteny do zadniacute strany elektrod skrze mezery v perforovanyacutech elektrodaacutech a tiacutem paacutedem nebudou blokovat proud ionů mezi elektrodami Vodiacutek je ziacuteskaacutevaacuten na katodaacutech jeho čistota je až 98 objemovyacutech kde jedinyacutemi nečistotami jsou kysliacutek a voda Vodiacutek může byacutet daacutele čištěn až na koncentraci teacuteměř 100 a to odstraněniacutem kysliacuteku v katalytickeacutem deoxideacuteru a vody v sušičce Těmito procedurami ovšem ztratiacuteme 5-10 celkoveacute produkce vodiacuteku Je potřeba si tuto ztraacutetu uvědomit při požadavciacutech na 100 čistyacute vodiacutek

26

Na obraacutezku 9 je zjednodušenyacute diagram průmysloveacuteho uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy Vodiacutek a kysliacutek opouštějiacute proces kde dochaacuteziacute k elektrochemickeacute disociaci vody odděleně přes naacutedoby HV a OV kde jsou odstraňovaacuteny zbytky elektrolytickeacuteho roztoku Elektrolyt a plyny jsou daacutele ochlazeny Z naacutedob pokračujiacute přes filtry HF A OF k odstraněniacute stop po elektrolytu Kysliacutek je uložen nebo spotřebovaacuten v dalšiacutech aplikaciacutech Vodiacutek může byacutet takeacute použiacutet ihned po průchodu filtry nicmeacuteně na obraacutezku 9 prochaacuteziacute dalšiacute čistiacuteciacute sekciacute Čistiacuteciacute sekce se sklaacutedaacute z deoxideacuteru kde dochaacuteziacute ke spalovaacuteniacute kysliacuteku obsaženeacuteho ve vodiacuteku na vodniacute paacuteru kteraacute je daacutele odstraněna v sušičce

Obr 9 Průmysloveacute uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy [7]

222Elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute membraacutenu

Kyseleacute roztoky nejsou v dnešniacute době přiacuteliš použiacutevaacuteny v průmysloveacute elektrolyacuteze vody ale i přesto nabiacutezejiacute alternativu k tekutyacutem alkalickyacutem elektrolytům Polymerniacute membraacuteny se vyznačujiacute velmi dobrou vodivostiacute protonů a špatnou vodivostiacute elektronů Polymerniacute membraacutena tak umožňuje tok protonů mezi elektrodami a zaacuteroveň zabraňuje stejneacutemu pohybu elektronů Elektrony musiacute použiacutet vnějšiacute obvod pro přechod mezi elektrodamiPro kyselyacute elektrolyt vypadaacute rovnice elektrolyacutezy naacutesledovně

Katoda 2H 3O + 2eminus ⎯rarr⎯ 2H2O + H2

Anoda 3H2O⎯rarr⎯ 2H 3O+ +O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

27

Obr 10 Scheacutema elektrolyacutezy s polymerniacute membraacutenou

Polymerniacute membraacutena zastupuje roli jak separaacutetoru tak elektrolytu Většina materiaacutelu membraacuten je založena na sulfonovanyacutech fluoropolymerech k vedeniacute protonů Nejznaacutemějšiacute materiaacutelem membraacuten je tzv Nafionreg kteryacute byl vyvinut společnostiacute Dupont Sulfonoveacute kyseliny jsou vysoce hydrofilniacute (přitahuje vodu) na druhou stranu fluropolymer je hydrofobniacute (odpuzuje vodu) Uvnitř hydratovanyacutech oblastiacute se H+ iony (protony) mohou relativně volně pohybovat tedy vytvaacuteřet zřeďovaneacute kyseliny H+ iony se mohou pohybovat na kraacutetkeacute vzdaacutelenosti i mimo hydratovaneacute oblasti pomociacute podporujiacuteciacutech dlouhyacutech molekulovyacutech struktur Tento pohyb je mnohem obtiacutežnějšiacute Hydratovanaacute membraacutena je tedy jeden z důležityacutech faktorů usnadňujiacuteciacute pohyb protonů a tiacutem paacutedem celkovou miacuteru elektrolyacutezy Horniacute limit teploty pro vyacuteměnu elektronů membraacutenou je okolo 125-150 degC ale většina elektrolyzeacuterů pracuje v režimu s tekutou vodou při teplotě cca 80 degC Vyššiacute pracovniacute teploty ktereacute by zlepšily kinematiku reakce můžeme dosaacutehnout diacuteky novyacutem polymerniacutem materiaacutelům nebo keramickyacutem materiaacutelům vodiacuteciacutem protony Vyššiacute teplota ovšem maacute za naacutesledek generaci většiacuteho množstviacute tepla Teplo musiacute byacutet odstraněno pomociacute cirkulace dostatečneacuteho množstviacute vody podeacutel anodoveacute elektrody člaacutenku Elektrody jsou většinou tvořeny tenkou vrstvou platinoveacuteho katalyzaacutetoru připevněneacuteho k membraacuteně Platina je považovaacutena za nejlepšiacute katalyzaacutetor jak pro anodu tak katodu diacuteky svyacutem termodynamickyacutem a kinetickyacutem vlastnostem Platina je nejnaacutekladnějšiacute čaacutesti elektrolytickyacutech člaacutenků i přes to že se množstviacute použiacutevaneacute platiny značně sniacutežilo [9] Elektrolyacuteza s pevnou membraacutenou pracuje s vyššiacute proudovou hustotou než alkalickaacute elektrolyacuteza I přes vyššiacute ceny materiaacutelů je pro ně potřebnaacute menšiacute plocha člaacutenků pro produkci stejneacuteho množstviacute vodiacuteku než pro alkalickeacute člaacutenky

28

223Parniacute elektrolyacuteza

Parniacute elektrolyacuteza probiacutehaacute za mnohem vyššiacute teploty než předešleacute typy typicky je to kolem 900-1000 degC a voda je do procesu přivaacuteděna jako paacutera Elektrolyt je vyroben z pevneacuteho keramickeacuteho materiaacutelu kteryacute vede kysliacutekoveacute iony Vysokaacute provozniacute teplota je nezbytnaacute pro keramickyacute materiaacutel aby byl dostatečně iontově vodivyacute Parniacute elektrolyzeacutery dodaacutevajiacute velkou čaacutest potřebneacute energie na elektrolyacutezu pomociacute tepla z paacutery miacutesto elektřiny [9] Principiaacutelně funguje stejně jako elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolyt Pevnyacute keramickyacute elektrolyt dovoluje kysliacutekovyacutem ionům prochaacutezet materiaacutelem od katody k anodě zatiacutemco zabraňuje pohybu elektronů ktereacute se přemisťujiacute externiacutem obvodem Keramickyacute elektrolyt takeacute zabraňuje promiacutechaacutevaacuteniacute vznikajiacuteciacutech plynů Na obraacutezku 11 je scheacutematicky zobrazen princip parniacute elektrolyacutezy

Obr 11 Princip parniacute elektrolyacutezy [9]

Zaacutekladniacute reakce probiacutehaacute v elektrodaacutech a odlišuje se od předešlyacutech způsobů elektrolyacutezy Celkovaacute reakce rozpadu vody zůstaacutevaacute nezměněna

Katoda H2O + 2eminus ⎯rarr⎯ H2 +O2minus

Anoda O2minus ⎯rarr⎯ 1

2O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

Vodniacute paacutera je je přivaacuteděna do komory u anody kde reaguje s elektrony a rozpadne se na vodiacutekoveacute a kysliacutekoveacute ionty Po přechodu k anodě kysliacutekoveacute ionty uvolňujiacute elektrony a tak vytvořiacute plynnyacute kysliacutek

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů

Za uacutečelem ziacuteskaacuteniacute požadovaneacuteho množstviacute vodiacuteku jsou elektrolyzeacutery tvořeny většiacutem počtem elektrolytickyacutech člaacutenků nebo paacuterů elektrod ktereacute mohou byacutet spojeny seacuteriově nebo paralelně Existujiacute dva druhy uspořaacutedaacuteniacute člaacutenků a to monopolaacuterniacute (naacutedržovyacute) a bipolaacuterniacute

29

V monopolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute je každaacute elektroda spojena a je napaacutejena externiacutem proudem Elektrody jsou jedno-polaacuterniacute každaacute je katoda nebo anoda Člaacutenky jsou spojeny paralelně tudiacutež napětiacute je stejneacute jak v jednotlivyacutech člaacutenciacutech tak v celeacute naacutedrži bez ohledu na celkovyacute počet člaacutenků Napětiacute je typicky kolem 12 - 2 V Tato konfigurace je jednoduchaacute robustniacute a snadnaacute na uacutedržbu Použiacutevajiacute se relativně levneacute čaacutesti a jednotliveacute buňky jsou snadno izolovatelneacute pro provedeniacute uacutedržby Ze sveacute podstaty maacute většiacute spotřebu energie diacuteky poklesu potenciaacutelu v člaacutenciacutech a je nutneacute použiacutevat vysokyacute proud pro přiměřenou produkci [9]

Obr12 Princip monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute [9]

V bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute jsou elektrody bipolaacuterniacute každaacute elektroda je na jedneacute straně anoda a na druheacute katoda s vyacutejimkou dvou koncovyacutech elektrod z nichž je jedna anoda a druhaacute katoda Buňky jsou spojeny elektricky paralelně a hydraulicky seacuteriově jak je zobrazeno na obraacutezku 13 Proud teče z jedneacute buňky do druheacute a tiacutem paacutedem je stejnyacute pro všechny buňky Celkoveacute napětiacute člaacutenku je rovno součtu napětiacute jednotlivyacutech buněk Každeacute napětiacute zaacutevisiacute na proudoveacute hustotě což je proud na jednotku plochy elektrody a na teplotu elektrolyacutezy V praxi je volt-ampeacuterovaacute charakteristika elektrolyzeacuteru unikaacutetniacute zaacutevisejiacuteciacute na aktivitě elektrody tepelneacute uacutečinnosti a dalšiacutech konstrukčniacutech charakteristikaacutech elektrolyzeacuteru [7]

Obr 13 Princip bipolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute zdroj [9]

V současneacute době neexistujiacute elektrolyzeacutery vyvinuty speciaacutelně pro použitiacute s větrnyacutemi elektraacuternami nicmeacuteně rychlaacute reakce elektrochemickeacuteho systeacutemu na změny energie je dělaacute vhodnyacutemi pro zaacutetěž vyskytujiacuteciacute se při tomto spojeniacute

30

s větrnyacutemi rotory Vyacutepadky dodaacutevek elektřiny však mohou způsobit probleacutemy s koroziacute na elektrodaacutech pokud nejsou chraacuteněny polarizačniacutem proudem v přiacutepadě vyacutepadku dodaacutevky

24Uacutečinnost elektrolyacutezy

V literatuře existuje nejednotnost vyacutekladu co vlastně uacutečinnost elektrolyacutezy je a jak se určuje Autoři zmiňujiacute uacutečinnost energetickou uacutečinnost elektrickou uacutečinnost proudovou uacutečinnost elektrochemickou uacutečinnost Daacutele takeacute zaacutevisiacute zda se jednaacute o uacutečinnost celeacuteho systeacutemu nebo jednotlivyacutech člaacutenků[9][7]Nejobecnějšiacute definice energetickeacute uacutečinnosti elektrolytickeacuteho procesu je

Energetickaacute uacutečinnost = Energetickyacute vyacutestup Celkovaacute dodanaacute energie

V přiacutepadě konvenčniacute vodniacute elektrolyacutezy je energetickyacute vstup limitovaacuten velikostiacute dodaneacute elektrickeacute energie proto je energetickaacute uacutečinnost definovaacutena poměrem energie kteraacute může byacutet obnovena reoxidaciacute vodiacuteku a kysliacuteku za vzniku vody (vyacutehřevnost vodiacuteku) a energie dodaneacute systeacutemu prostřednictviacutem elektrickeacuteho proudu

Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy = Vyacutehřevnost Celkovaacute vstupniacute elektrickaacute energie

Podle teacuteto definice může uacutečinnost přesaacutehnout hodnotu 100 jelikož nebere v uacutevahu energii dodanou do procesu teplem Toto je přiacutepad kdy elektrolyzeacuter pracuje pod termoneutraacutelniacutem napětiacutem když teplo okoliacute je použito jako energetickyacute zdroj a definice jej nebere v uacutevahu [9] Na uacuterovni člaacutenku se energetickaacute uacutečinnost elektrolyacutezy vyjadřuje jako poměr termoneutraacutelniacuteho napětiacute UTN (při standardniacutech podmiacutenkaacutech UTN = 148 V) vůči skutečneacutemu napětiacute člaacutenku U vynaacutesobeno uacutečinnostiacute proudu Uacutečinnost proudu φP je jednoduše poměr počtu elektronů teoreticky potřebnyacutech pro pro vyacuterobu daneacuteho množstviacute vodiacuteku ku skutečneacutemu počtu elektronů dodanyacutech elektrickyacutem proudem potřebnyacutech k vyacuterobě daneacuteho množstviacute vodiacuteku Tato uacutečinnost je typicky kolem 999 Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy ηel je tedy vyjaacutedřena naacutesledujiacuteciacutem vztahem

V zaacutevislosti na zvoleneacutem typu elektrolyacutezy a pracovniacutemi podmiacutenkami se uacutečinnost pohybuje v rozmeziacute 75 - 95 Takto vysokeacute hodnoty uacutečinnosti platiacute pro elektřinu jako zdroj energie Pokud ovšem vezmeme elektřinu jako energetickyacute vyacutestup jineacuteho energetickeacuteho zdroje jako např uhliacute zemniacute plyn nebo zdroje obnovitelneacute energie tak celkoveacute uacutečinnost vyacuteroby vodiacuteku elektrolyacutezou klesne na hranici 30

25Napětiacute člaacutenků

Spotřeba energie elektrolyacutezy je přiacutemo spojena s napětiacutem na člaacutenku a nepřiacutemo s proudovou uacutečinnostiacute Jak už bylo zmiacuteněno dřiacuteve proudovaacute uacutečinnost se bliacutežiacute k hodnotě 100 tzn že důležityacutem parametrem při navrhovaacuteniacute elektrolytickyacutech člaacutenku je napětiacute na člaacutenku

ηel =UTN

UsdotϕP

31

Elektrolyacuteza vody za skutečnyacutech podmiacutenek vyžaduje napětiacute U ktereacute je podstatně vyššiacute než vratneacute napětiacute Urev Musiacute překonat elektrickyacute odpor v elektrodaacutech v elektrolytu mezi elektrodami a separaacutetoru Daacutele musiacute pokryacutet přepětiacute na elektrodaacutech Napětiacute na člaacutenku pak může byacutet vyjaacutedřeno

kde ηK je přepětiacute na katodě ηA je přepětiacute na anodě j je proudovaacute hustota a R je suma elektrickyacutech odporů založenaacute na aktivniacute ploše elektrod Elektrickyacute odpor v elektrodaacutech zaacutevisiacute na typu složeniacute materiaacutelu a teplotě Přepětiacute je určeno aktivitou plochy elektrod složeniacute elektrolytu a teplotou Ohmickyacute odpor spojenyacute s pohybem elektronů je v relativně nevyacuteznamnyacute v bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute představuje ale nezanedbatelnyacute vliv v přiacutepadě monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů [9]

26Vliv provozniacutech podmiacutenek

261Teplota

Zvyacutešeniacute teploty elektrolyacutezy snižuje vratneacute napětiacute UREV a tiacutem paacutedem i celkovou energii vstupujiacuteciacute do procesu Pokud teplota vzroste z 250degC na 1000degC vstupniacute elektrickaacute energie může byacutet sniacutežena o 25 Nicmeacuteně celkovaacute energie potřebnaacute k provedeniacute elektrolyacutezy při vysokeacute teplotě je o něco vyššiacute Vyacutehoda vysokeacute teploty v elektrolytickeacutem procesu je použitiacute tepla jako energetickeacuteho vstupu a tiacutem zvyacutešeniacute uacutečinnosti diacuteky zvyacutešeneacute kinetice procesu Pokud je zdroj tepla snadno dostupnyacute je všeobecně mnohem levnějšiacute než elektřina tento fakt pak může značně ovlivnit celkovou ekonomiku procesu [9]

262Tlak

Tlak při procesu elektrolyacutezy maacute takeacute vliv na energetickeacute požadavky pro vyacuterobu elektrolytickeacuteho vodiacuteku Vratneacute napětiacute při daneacute teplotě T a tlaku p může byacutet určeno z Nernstovi rovnice jako

kde R označuje univerzaacutelniacute plynovou konstantu n počet elektronů potřebnyacutech pro rozděleniacute molekuly vody (n=2) F pro Faradayovu konstantu a aktivita jednotlivyacutech molekul Urev T p=1 vratneacute napětiacute při teplotě T [K] a standardniacutem tlaku p=1 bar Aktivizačniacute koeficienty vodiacuteku aH2 a kysliacuteku aO2 mohou byacutet ziacuteskaacuteny z poměru tlaku vůči atmosferickeacutemu tlaku aH2=pH2p a aO2=pO2p Daacute se předpoklaacutedat že pH2=pO2=p protože tlak na Urev T p=1 kysliacutekoveacute i vodiacutekoveacute straně je stejnyacute Daacutele aktivita vody je přibližně rovna 1 a tlak p=1 bar pak dojde ke zjednodušeniacute Nernstovi rovnice na tvar

Pro teplotu T=298K napětiacute roste s tlakem podle tabulky 3

U =Urev +ηK +ηA + j sdotR

UrevT p =UrevT p=1 +R sdotTn sdotF

lnaH2 sdot(aO2 )

05

aH2O

UrevT p =UrevT p=1 +3sdotR sdotT4 sdotF

ln p

32

Tlak p [bar] 10 30 50 100 200

Urev T p=1 [mV] 44 65 75 89 102

Tab 3 Zaacutevislost reversibilniacuteho napětiacute na tlaku [7]

Elektrolyzeacuter pracujiacuteciacute při tlaku 10 barů při 155V by potřeboval pouze 1608 V pro praacuteci při 200 barech založeno na teoretickeacute uacutevaze kdy (155 V + (102 mV - 44mV))= 162 V Vysokyacute tlak sice zvyšuje teoretickeacute vratneacute napětiacute pouze o paacuter procent i tak je staacutele vyacutehodneacute ho použiacutet ve skutečnyacutech elektrolyzeacuterech a to z důvodu sniacuteženiacute spotřeby energie a to diacuteky zvyacutešeneacute efektivitě (snižuje pracovniacute napětiacute) a vyššiacute dosažitelneacute proudoveacute hustotě Vysokyacute tlak daacutele redukuje velikost plynovyacutech bublinek na plochaacutech elektrod tiacutem zvyšuje vyacutekon buňky Vyacutehody tak převaacutežiacute lehkeacute zvyacutešeniacute teoretickeacuteho napětiacute Hlavniacutem důvodem pro použitiacute vysokotlakeacuteho procesu elektrolyacutezy je ovšem absence potřeby stlačovaacuteniacute vodiacuteku po jeho produkci a tiacutem paacutedem sniacuteženiacute naacutekladů Elektrolyzeacutery dokaacutežiacute zajistit zvyacutešeniacute tlaku při relativně maleacute potřebě energie Malyacute pokles energetickeacute uacutečinnosti procesu vyvaacutežiacute eliminaci kompresoru při dalšiacutem zpracovaacuteniacute vodiacuteku Vysokyacute tlak kolem 400 barů může způsobit mechanickeacute probleacutemy na elektrolyzeacuteru a tiacutem zvyacutešit investičniacute naacuteklady

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku

Spotřeba energie elektrolytickyacutem člaacutenkem může byacutet určena přiacutemyacutem způsobem z pracovniacuteho napětiacute člaacutenku U a proudoveacute uacutečinnosti φP Počet elektronů e- potřebnyacutech pro ziacuteskaacuteniacute jednoho kilogramu vodiacuteku z vodniacute elektrolyacutezy je bez ohledu na pracovniacute podmiacutenky fixniacute a to 26589 kAh Tato hodnota vychaacuteziacute z faktu že 2 elektrony jsou potřeba k vytvořeniacute jedneacute molekuly vodiacuteku z vody zbylaacute čaacutest je jednoduchaacute konverze jednotek zohledněniacutem molaacuterniacute hmotnosti vodiacuteku

Specifickaacute energie elektrolyzeacuteru K v kWhkg H2 pak může byacutet určena pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

kde U je průměrneacute pracovniacute napětiacute jednoho člaacutenku a φi proudovaacute uacutečinnost Tato rovnice nezohledňuje energii potřebnou ke stlačeniacute vodiacuteku pokud je požadovaacuten tlak vyššiacute než kteryacute je na vyacutestupu z elektrolyzeacuteru Nezahrnuje ani malou čaacutest energie potřebnou k de-ionizaci vody a ke konverzi ze střiacutedaveacuteho na stejnosměrnyacute proud Každopaacutedně rovnice naacutem daacutevaacute dobrou představu o spotřebě energie pro samotnyacute elektrolyzeacuter V tabulce 4 jsou shrnuty zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

2eminus

H2

sdot 1000gH2

2016gH2 molH2

sdot 96487Cmol

sdot 1eminus

sdot 1kA1000C s

sdot 1h3600s

= 26589kAh

K = 26589 sdotUϕi

33

Alkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacuteza El pevneacuteho polymeru

Parniacute el

Technologie Konvenčniacute al el

Moderniacuteal el

Inorganickaacutemembraacutenaal el

Pevnyacutepolymer

Vysoko tep lo tn iacute elektrolyzeacuter

Napětiacute člaacutenku [V] 18 - 22 15 - 25 16 - 19 14 - 20 095 - 13

P r o u d o v aacute hustota[Acm2]

013 - 025 02 - 20 02 - 10 10 - 40 03 - 10

Teplota [degC] 70 - 90 80 - 145 90 - 120 80 - 150 900 - 1000

Tlak [bar] 1 - 2 až do 120 až do 40 až do 400 900 - 1000

Elektrolyt 25 - 35 KOH

25 - 40 KOH

14 - 15KOH

Flurosulfonovaacutekyselina Keramickyacute

Uacute č i n n o s t člaacutenku [] 77 - 80 80 - 90 85 - 95 85 - 98 90 - 99

S p o t ř e b a energie [kWhNm3 H2]

43 - 49 38 - 43 36 - 40 36 - 40 25 - 35

Tab 4 Zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

34

3Metody uskladněniacute vodiacuteku

Z důvodu pokrytiacute denniacutech a sezonniacutech rozdiacutelů mezi dostupnostiacute energie a požadavky na tuto energii musiacute byacutet vodiacutek skladovaacuten Vodiacutek může byacutet skladovaacuten v plynneacute formě kapalneacute formě a takeacute jako hydrid kovu Vodiacutek je velmi lehkyacute plyn s malou hustotou To znamenaacute že maleacute množstviacute vodiacuteku zabiacuteraacute velkyacute objem Ciacutelem tedy je zvyacutešit objemovou hustotu vodiacuteku Klasickeacute oceloveacute vysokotlakeacute oceloveacute naacutedoby jsou plněny až na tlak 200 barů Naacutedoby vyrobeneacute ze zesiacutelenyacutech uhliacutekovyacutech vlaacuteken mohou teoreticky uklaacutedat vodiacutek při tlaku až 600 barů prakticky byl dosažen tlak asi 450 barů Ciacutelem automobiloveacuteho průmyslu je však hodnota 700 barů pro skladovaacuteniacute plynneacuteho vodiacuteku při běžneacutem použiacutevaacuteniacute v automobilech To však požaduje vyacutevoj novyacutech kompozitniacutech materiaacutelů ktereacute odolajiacute vysokeacutemu tlaku a nestanou se při styku s vodiacutekem křehkyacutemi S vyššiacutem tlakem roste hustota ale samotnaacute komprese je velmi komplikovanyacute nebezpečnyacute a drahyacute proces Zvyacutešeniacute hustoty vodiacuteku lze takeacute dosaacutehnout zkapalněniacutem nebo převedeniacutem do pevneacuteho stavu Hustota tekuteacuteho vodiacuteku je cca 708 kgm3 v porovnaacuteniacute s hustotou vodiacuteku v pevneacutem stavu a to 706 kgm3 Kondenzačniacute teplota vodiacuteku je při tlaku 1 bar -252degC z toho vyplyacutevaacute že proces zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je velmi energeticky naacuteročnyacute Tekutyacute vodiacutek se tak použiacutevaacute pokud je nezbytneacute zajistit vysokou hustotu napřiacuteklad pro kosmickeacute aplikace[10] Vodiacutek je takeacute schopen vytvaacuteřet hydridy s některyacutemi kovy Vodiacutek v molekulaacuterniacute podobě je absorbovaacuten do atomoveacute mřiacutežky kovů Objemovaacute hustota takoveacuteho vodiacuteku je pak na uacuterovni vodiacuteku kapalneacuteho ale pokud vezmeme v potaz i samotnou hmotnost kovů pak je hustota mnohem nižšiacute V současneacute době je nejvyššiacute dosažitelnaacute hustota jen přibližně 007 kg H2kg kovu při vysokeacute teplotě Vodiacutek v pevneacutem stavu je nejbezpečnějšiacute cesta jak uskladnit energii zvlaacuteště pro stacionaacuterniacute a mobilniacute aplikace Hlavniacutem probleacutemem pro uskladněniacute vodiacuteku v pevneacutem stavu je samotnaacute vaacuteha naacutedržiacute vysokaacute desorpčniacute energie niacutezkaacute kinetika desorpce dlouhaacute doba nabiacutejeniacute vysokyacute tlak a přenos tepla Vodiacutek může byacutet skladovaacuten jako plyn při vysokyacutech tlaciacutech jako kapalina v kryogenniacutech zaacutesobniacuteciacutech jako plyn chemicky vaacutezanyacute (např v hydridech kovů) Na obraacutezku 14 je uveden objem vodiacuteku a hmotnost celeacuteho zařiacutezeniacute vztaženaacute k zmiacuteněnyacutem způsobům skladovaacuteniacute a daacutele v porovnaacuteniacute s benziacutenem metanolem a uchovaacutevaacuteniacutem energie v bateriiacutech (vztaženeacute na energetickyacute ekvivalent 990 000 Btu (1 044 500 kJ))

35

Obr 14 Objemoveacute a hmotnostniacute porovnaacuteniacute paliv odpoviacutedajiacuteciacutech energetickeacutemu ekvivalentu 990000 Btu [12]

Nejlepšiacute cestou skladovaacuteniacute vodiacuteku je jeho uloženiacute ve formě uhlovodiacutekovyacutech paliv ačkoliv tato varianta vyžaduje dodatečnyacute systeacutem jeho extrahovaacuteniacute Niacutezkaacute hustota vodiacuteku ve formě plynneacute i kapalneacute maacute za naacutesledek takeacute niacutezkou hodnotu hustoty energie Danyacute objem vodiacuteku tedy obsahuje meacuteně energie než stejnyacute objem jinyacutech paliv Proto se napřiacuteklad zvyšuje relativniacute skladovaciacute objem naacutedrže pro dosaženiacute daneacute dopravniacute vzdaacutelenosti Použitiacutem vodiacuteku v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků vyrovnaacutevaacuteme podmiacutenky s ostatniacutemi palivy tiacutem že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vyššiacute oproti uacutečinnosti spalovaciacutech motorů takže bude zapotřebiacute meacuteně paliva a tiacutem i energie k dosaženiacute stejneacuteho energetickeacuteho vyacutesledku [12] Přes niacutezkou objemovou energetickou hustotu disponuje vodiacutek nejvyššiacutem poměrem energie k hmotnosti ze všech paliv Avšak tuto vyacutehodu obvykle zastiňuje velkaacute hmotnost zaacutesobniacuteku a naacutevaznyacutech zařiacutezeniacute Většina zaacutesobniacuteků vodiacuteku je značně rozměrnyacutech a těžkyacutech mnohem viacutec než použiacutevaneacute naacutedrže pro benziacuten

36

či naftu [12] Existujiacute i dalšiacute noveacute metody uskladněniacute vodiacuteku jako aktivovanyacute povrch uhliacuteku pomociacute skleněnyacutech mikrokuliček a komplexů polyhydridů Tyto technologie zvyšujiacute objemovou hustotu skladovaacuteniacute vodiacuteku jsou ovšem staacutele vyviacutejeny a v průmyslu zatiacutem nebyly implementovaacuteny [11]

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu

Měrnaacute akumulačniacute kapacita vodiacuteku v plynneacutem stavu zaacutevisiacute na skladovaciacutem tlaku Při skladovaacuteniacute za normaacutelniacutech podmiacutenek je i přes vysokeacute spalneacute teplo vodiacuteku akumulačniacute kapacita relativně niacutezkaacute a to asi 128 MJm3 Pokud se tlak zvyacutešiacute na 10 MPa akumulačniacute kapacita pak bude 1200 MJm3 [10] Stlačenyacute vodiacutek se uskladňuje v tlakovyacutech lahviacutech podobnyacutech těm ktereacute jsou použiacutevaacuteny pro stlačenyacute zemniacute plyn Většina tlakovyacutech zaacutesobniacuteků maacute vaacutelcovyacute tvar s půlkulovyacutemi vypuklyacutemi dny V současneacute době je snaha budovat zaacutesobniacuteky uspořaacutedaneacute za sebou a deformovat vaacutelcovyacute tvar pro zvětšeniacute užitečneacuteho objemu Otvory ve středu půlkulovyacutech den pak umožňujiacute průtok plynu do tlakoveacute naacutedoby a jsou osazeny regulaacutetory a zaacutekladniacutemi prvky řiacutezeniacute průtoku Jeden osazenyacute koncovyacute prvek působiacute primaacuterně jako uzaviacuteraciacute ventil ačkoli obsahuje i pojistnyacute ventil a může daacutele obsahovat i sniacutemače teploty a tlaku pro měřeniacute veličin stavu plynu v zaacutesobniacuteku Druheacute osazeniacute je pak již složityacutem zařiacutezeniacutem ktereacute se sklaacutedaacute ze solenoidoveacuteho nebo elektromagnetickeacuteho ventilu manuaacutelniacuteho uzaviacuteraciacuteho ventilu jednosměrneacuteho ventilu a tlakoveacuteho pojistneacuteho ventilu [12] Elektromagnetickyacute ventil uzaviacuteraacute zaacutesobniacutek a izoluje naacutedobu v přiacutepadě že zařiacutezeniacute je mimo provoz Odstavovaciacute ventil uzavře průtok plynu ze zaacutesobniacuteku jestliže je průtok přiacuteliš velkyacute (např praskne-li trubka) Manuaacutelniacute uzaviacuteraciacute ventil umožňuje aby obsah zaacutesobniacuteku byl uzavřen nebo vypuštěn manuaacutelně v přiacutepadě poruchy elektromagnetickeacuteho ventilu Jednosměrnyacute ventil umožňuje plněniacute zatiacutemco elektromagnetickyacute ventil je uzavřen Pojistnyacute tlakovyacute ventil (na obou konciacutech vaacutelce) vypouštiacute obsah zaacutesobniacuteku v přiacutepadě kdy je vystaven působeniacute vysokyacutech vnitřniacutech tlaků či vysokyacutech okolniacutech teplot (např vystaveniacute ohni) Termiacutenem bdquovysokotlakyacute plynldquo obvykle označujeme plyn s tlaky vyššiacutemi jak 207 barg (3 000 PSIg) a to v přiacutepadě kdy hovořiacuteme o skladovaacuteniacute plynů

37

Obr 15 Konstrukce laacutehve Typu 3 [12] Tlaky vyššiacute jak 2 barg (30 PSIg) představujiacute dostatečnou hrozbu zraněniacute člověka a proto i o nich můžeme v terminologii hovořit jako o vysokyacutech Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky plynu musiacute byacutet konstruovaacuteny z tlustostěnnyacutech vysokopevnostniacutech materiaacutelů a musiacute byacutet velice trvaleacute Zaacutesobniacuteky jsou klasifikovaacuteny do čtyř typů v zaacutevislosti na použiteacutem konstrukčniacutem materiaacutelu viz tabulka 5 Obecně lze řiacuteci že čiacutem meacuteně použiteacuteho kovu tiacutem menšiacute hmotnost zaacutesobniacuteku Z tohoto důvodu je obvykle u vodiacutekovyacutech aplikaciacute použiacutevaacuten typ 3 na obraacutezku 15 V budoucnu však pravděpodobně ziacuteskaacute vyacutesadniacute postaveniacute typ 4 Specifickaacute hmotnost pak zaacutevisiacute individuaacutelně na vyacuterobě daneacuteho typu Jako referenčniacute objem bereme 35 ft3(100 l) U oceloveacuteho zaacutesobniacuteku typu 1 je hmotnost zaacutesobniacuteku přibližně 100 kg u typu 3 65 kg a v přiacutepadě typu 4 je hmotnost zaacutesobniacuteku cca 30 kg [12]

Typ lahve

Popis Hmotnostikovkompozit

Typ 1 Laacutehev kompletně z oceli a hliniacuteku 1000

Typ 2 Laacutehev s kovovyacutem pruhem z oceli čiacute hliniacuteku a s obručemi z kompozitniacuteho materiaacutelu

5545

Typ 3 Laacutehev zcela zabalenaacute do kompozitniacuteho materiaacutelu s tenkyacutemi vrstvami z oceli či hliniacuteku

2080

Typ 4 Laacutehev zcela zabalenaacute v kompozitniacutem materiaacutelu s plastickyacutemi vrstvami

0100

Tab 5 Klasifikace vysokotlakyacutech lahviacute na vodiacutek

38

Typ 3 ziacuteskaacutevaacute nejviacutece pevnosti z kompozitniacuteho obalu kteryacute je navinut kolem vnitřniacute vložky Kompozit se sklaacutedaacute z vysokopevnostniacutech vlaacuteken (obvykle uhliacutekatyacutech) jež jsou stmelena pryskyřiciacute (např epoxid) viz obraacutezek 15 Kombinace vlaacuteken a pryskyřice použiacutevaneacute pro tyto kompozitniacute zaacutesobniacuteky zaručujiacute extreacutemně vysokou odolnost Povrch kompozitu je meacuteně odolnyacute než povrch kovu a je viacutece naacutechylnyacute k fyzikaacutelniacutemu poškozeniacute (střih abraze naacuteraz atd) či chemickeacutemu poškozeniacute (čpavek kyseliny atd) avšak meacuteně naacutechylnyacute ke korozi Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky obvykle skladujiacute vodiacutek při 250 bar i když se zkoušejiacute zaacutesobniacuteky na provozniacute tlak 350 bar Současnyacute stav technologie jež je čaacutestečně ve stadiu vyacutevoje si dovoluje překračovat v testu roztrženiacute zaacutesobniacuteku hodnoty tlaku 1620 bar u zaacutesobniacuteku Typu 4 pak 700 bar Jakeacutekoliv plyny ktereacute se skladujiacute při těchto vysokyacutech tlaciacutech jsou extreacutemně nebezpečneacute a jsou schopny opouštět zaacutesobniacutek proudem plynu s explozivniacutemi uacutečinky sil nebo uvaacutedět do pohybu maleacute předměty jako projektily Neukotvenyacute zaacutesobniacutek se může změnit v raketu v přiacutepadě kdy plyn naacutehle začne proudit malyacutem otvorem Navzdory potenciaacutelniacutemu nebezpečiacute majiacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky velmi dobryacute stupeň bezpečnosti Provedeniacute zaacutesobniacuteku musiacute odpoviacutedat přiacutesnyacutem standardům a musiacute vydržet různeacute certifikačniacute testy Pro zajiacutemavost nesmiacute selhat během 13000 tlakovyacutech cyklech při 100 servisniacutem tlaku plus 5000 cyklů při 125 servisniacutem tlaku ani při 30 cyklech při 166 servisniacuteho tlaku Daacutele prochaacuteziacute testem na roztrženiacute zaacutesobniacuteku při 225 až 3 naacutesobku servisniacuteho tlaku Tlakovaacute laacutehev musiacute daacutele vydržet paacuted z vyacutešky naacuterazy naacuterazy kyvadlem a musiacute byacutet dokonce odolnaacute při vystaveniacute střelbě [12] Během vyacuteroby je každyacute zaacutesobniacutek vystaven hydrostatickyacutem tlakovyacutem testům a testům na těsnost vybraneacute zaacutesobniacuteky zadaneacute seacuterie jsou zkoušeny cyklickyacutemi a pevnostniacutemi testy uvedenyacutemi vyacutešeZaacutesobniacuteky jsou během vyacuteroby označeny je to jeden z nutnyacutech standardů vyacuteroby seacuteriovyacutem čiacuteslem servisniacutem a provozniacutem jmenovityacutem tlakem a datem zhotoveniacute U zaacutesobniacuteků jež nejsou vystavovaacuteny těžkyacutem externiacutem podmiacutenkaacutem a tlak plynu se pohybuje na jmenoviteacute hodnotě se očekaacutevaacute doba životnosti do 15 let nebo do 11 250 naplněniacute Inspekčniacute testy a testy těsnosti jsou rutinniacute součaacutesti uacutedržby Typickeacute mobilniacute aplikace použiacutevajiacute seacuterii zaacutesobniacuteků upevněnyacutech na společneacute rozvodneacute potrubiacute Při nominaacutelniacutem tlaku 250 bar systeacutem zaacutesobniacuteků vaacutežiacute asi čtyřikraacutet viacutece než srovnatelnyacute systeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute formě a zaujiacutemaacute viacutece než čtyřnaacutesobek prostoru V porovnaacuteniacute s benziacutenem je skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacute formě patnaacutectkraacutet naacuteročnějšiacute prostorově a třiadvacetkraacutet hmotnostně Řešeniacute probleacutemu pak vyžaduje napřiacuteklad pokrytiacute 50 střechy autobusu zaacutesobniacuteky vodiacuteku aby byly nahrazeny staacutevajiacuteciacute naacutedrže nafty Navzdory tomuto objemu je celkovaacute hmotnost vodiacuteku jen 40 až 50 kg a je zanedbatelnaacute v porovnaacuteniacute s hmotnostiacute zaacutesobniacuteků a externiacuteho vybaveniacute Skladovaacuteniacute plynu při ještě většiacutem tlaku daacutevaacute menšiacute skladovaciacute objem ale celkovaacute hmotnost zaacutesobniacuteku se přiacuteliš neměniacute jelikož zaacutesobniacuteky musiacute byacutet robustnějšiacute Současnyacute stav (2012) pro tento typ skladovaacuteniacute je 350 bar a hmotnostniacutem poměru 113 u zaacutesobniacuteku typu 4 Komprese plynu je energeticky naacuteročnyacute proces Čiacutem vyššiacute koncovyacute tlak tiacutem většiacute množstviacute energie je potřeba Avšak přiacuterůstek energie potřebneacute k dosaženiacute vyššiacuteho tlaku klesaacute takže počaacutetečniacute uacutesek zůstaacutevaacute energeticky intenzivnějšiacute čaacutestiacute procesu komprimaceVyvaacuteženiacute přiacuterůstku (snižovaacuteniacute) hustoty plynu při vyššiacutech tlaciacutech se staacutevaacute důležitou ekonomickou otaacutezkou v hospodařeniacute s energiiacute při vyššiacutech uacuterovniacutech komprese Užitečnou cestou k pochopeniacute energetickyacutech naacutekladů

39

na komprimaci je způsob jejich vyjadřovaacuteniacute procentem energie na komprimaci z celkoveacute energie obsaženeacute v zaacutesobniacuteku vodiacuteku Za teacuteto podmiacutenky je přibližnaacute spotřeba 5 z celkoveacute energie laacutetky v zaacutesobniacuteku při komprimaci na 350 bar Přesneacute množstviacute energie je samozřejmě zaacutevisleacute na průtoku a uacutečinnosti použiteacuteho kompresoru Ke skladovaacuteniacute vodiacuteku v podobě stlačeneacuteho plynu se využiacutevajiacute předevšiacutem podzemniacute poreacutezniacute zaacutesobniacuteky kolektory solneacute sloje či skalniacute dutiny Anglie a Francie majiacute dlouhodobou zkušenost na poli podzemniacuteho uskladněniacute vodiacuteku Britskyacute chemickyacute koncern ICI uskladňuje vodiacutek v třikraacutet pročištěneacute solneacute sloji v Teeside Vodiacutek je v teacuteto 366 m hlubokeacute sloji natlakovaacuten na 50 barů Od 1957 do 1974 GAZ DE FRANCE uskladňoval městskyacute plyn s obsahem vodiacuteku 50 v kolektoru s objemem 330 milioacutenů m3 Maleacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky jsou bez vyacutejimky provedeny jako nadzemniacute zařiacutezeniacute pro stlačenyacute plyn V průmysloveacutem sektoru se již vyskytla standardizace typů Vyacutesledkem jsou vaacutelcoviteacute zaacutesobniacuteky s maximaacutelniacutem provozniacutem tlakem 5 MPa a 28 m v průměrech ktereacute jsou k dostaacuteniacute s naacutesledujiacuteciacutemi deacutelkami (či vyacuteškami) 73 m (max obsah při 45 MPa je 1 305 Nm3) 108 m (max obsah 2 205 Nm3) a 19 m (max obsah 4 500 Nm3) V tomto přiacutepadě vyacutepočty pro energetickyacute obsah v hmotnostniacute či objemoveacute jednotce včetně samotneacuteho zaacutesobniacuteku vedou na hodnoty 024 ndash 031 kWhkg respektive 0135 kWhl [12] Podzemniacute zaacutesobniacuteky obdobneacute podzemniacutem zaacutesobniacuteků zemniacuteho plynu (v podzemniacutech kavernaacutech ve vodonosnyacutech vrstvaacutech ve vytěženyacutech ložisciacutech ropy apod) Skladovaacuteniacute vodiacuteku v těchto zaacutesobniacuteciacutech bude ovšem asi 3 x dražšiacute než skladovaacuteniacute zemniacuteho plynu převaacutežně kvůli menšiacute objemoveacute kapacitě vodiacuteku Nevyacutehoda takoveacuteho skladovaacuteniacute jsou ztraacutety ktereacute mohou dosaacutehnout až 3 procent ročně Tento typ uacuteložišť se již využiacutevaacute V Kielu se již od roku 1971 skladuje městskyacute plyn kteryacute obsahuje až 65 vodiacuteku v podzemniacutem zaacutesobniacuteku v hloubce 1330 m o objemu 32 000 m3 a tlaku 8 - 16 MPa [10] Nadzemniacute zaacutesobniacutekoveacute systeacutemy se běžně použiacutevajiacute v průmyslu zemniacuteho plynu v různyacutech rozměrovyacutech a tlakovyacutech uacuterovniacutech Běžneacute tlakoveacute lahve o objemu 50 litrů a tlaku 20 Mpa stacionaacuterniacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky s tlakem 20 MPa i většiacutem velkeacute kuloveacute zaacutesobniacuteky o objemu až 30 000 m3 a tlaku 12 - 16 Mpa Naacuteklady jsou u teacuteto metody dosti vysokeacute (komprese vysokotlakeacute naacutedoby) V přiacutepadě použitiacute v automobilu se tato metoda vykazuje rychlou dobou plněniacute a velkyacutem množstviacutem uskladněneacuteho vodiacuteku (na uacutekor bezpečnosti) Na plnou naacutedobu vodiacuteku vaacutežiacuteciacute okolo 40 kg s 39 kg vodiacuteku je auto schopno ujet až 600 km

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu

Systeacutemy skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute faacutezi překonaacutevajiacute mnoho probleacutemů spojenyacutech s objemem a hmotnostiacute při vysokotlakeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku avšak za cenu potřeby zajištěniacute kryogenniacutech teplot Kapalnyacute vodiacutek může byacutet skladovaacuten pod svyacutem bodem varu ktereacuteho za normaacutelniacutech podmiacutenek dosaacutehne při -252882 degC (20268 K) nebo takeacute bliacuteže podmiacutenek okolniacuteho tlaku v dvoustěnnyacutech super izolovanyacutech naacutedržiacutech neboli bdquodewarechldquo (Dewarovyacutech naacutedobaacutech) Tyto izolace jsou izolacemi vakuovyacutemi [12] Zaacutesobniacuteky tekuteacuteho vodiacuteku nepotřebujiacute vysokotlakeacute naacutedoby a proto nemusiacute byacutet tak robustniacute Vodiacutek nemůže byacutet skladovaacuten v zaacutesobniacuteciacutech neomezeně Všechny zaacutesobniacuteky bez ohledu na kvalitu izolace umožňujiacute transfer tepla mezi zaacutesobniacutekem a okoliacutem Velikost teplotniacute netěsnosti zaacutevisiacute na konstrukci a velikosti zaacutesobniacuteku

40

Tyto přiacutečiny přenosu tepla vedou k odpařovaacuteniacute vodiacuteku a zvyšovaacuteniacute tlaku Stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky kapalneacuteho vodiacuteku jsou stavěny nejčastěji ve formě kuloviteacute jelikož koule nabiacuteziacute nejmenšiacute povrch k daneacutemu objemu a proto nejmenšiacute plochu přestupu tepla [12] Zaacutesobniacuteky majiacute maximaacutelniacute konstrukčniacute přetlak kolem 5 bar v přiacutepadě že odběr vodiacuteku je menšiacute než jeho produkce a vypařovaacuteniacutem roste tlak v zaacutesobniacuteku až do hodnoty kdy je odveden pojistnyacutem ventilem Odplyněniacute sniacuteženiacute přetlaku tiacutemto způsobem neniacute jenom přiacutemou ztraacutetou využitelneacuteho paliva ale v přiacutepadě mobilniacutech jednotek i potenciaacutelniacute nebezpečiacute a to předevšiacutem v budovaacutech a garaacutežiacutech Současneacute automobiloveacute aplikace zaacutesobniacuteku kapalneacuteho vodiacuteku odvaacutedějiacute 1 až 2 za den Vodiacutek může byacutet čerpaacuten ze zaacutesobniacuteku buď jako kapalina nebo jako plyn V přiacutepadě že je použiacutevaacuten v jednotkaacutech s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem může byacutet kapalnyacute vodiacutek vstřikovaacuten přiacutemo do vaacutelce v zaacutevislosti na zvyšujiacuteciacutemsnižujiacuteciacutem se množstviacute spalovaneacuteho paliva a pracovniacutem zdvihu V přiacutepadě použitiacute v palivoveacutem člaacutenku plynnyacute vodiacutek může byacutet odčerpaacutevaacuten při odpoviacutedajiacuteciacutem tlaku pro zaacutesobovaacuteniacute daneacute reakce [12] Ačkoli skladovaacuteniacute kapalneacuteho vodiacuteku eliminuje nebezpečiacute spojenaacute s vysokotlakyacutem skladovaacuteniacutem plynů přinaacutešiacute daacutele nově vlastniacute nebezpečiacute spojenaacute s niacutezkyacutemi teplotami Vaacutežnaacute nebezpečiacute omrzlin existujiacute ve spojeniacute s kapalnyacutem vodiacutekem jeho paacuterami a kontaktniacutemi plochami Uhliacutekataacute ocel vystavenaacute teplotaacutem nižšiacutem -30 degC a to přiacutemo nebo nepřiacutemo se staacutevaacute křehkou a je naacutechylnaacute k lomu Vzduch může kondenzovat na povrchovyacutech plochaacutech ktereacute jsou podchlazeneacute může odkapaacutevat daacutele i na materiaacutely nebezpečneacute z pohledu vzniacuteceniacute požaacuteru nebo vyacutebuchu nebezpečiacute totiž spočiacutevaacute v naacutesledneacutem zvyacutešeniacute koncentrace [12] Zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je vzhledem k dosaacutehnutiacute extreacutemně niacutezkyacutech teplot energeticky velmi naacuteročnyacute intenzivniacute proces Zkapalňovaacuteniacute zahrnuje několik kroků Prvniacutem je komprese vodiacuteku v piacutestoveacutem kompresoru přechlazeniacute stlačeneacuteho plynu na teplotu zkapalněniacute dusiacuteku (-195 degC) naacutesleduje expanze přes turbiacutenu a posledniacutem krokem je katalytickaacute konverze na stabilniacute formu vodiacuteku Ve vyacutesledku je energie potřebnaacute k procesu zkapalněniacute ekvivalentem kteryacute překračuje 40 energetickeacute vztažneacute hodnoty vodiacuteku Kapalnou formu vodiacuteku lze relativně uacutečinně transportovat a lehce použiacutevat Je zřejmeacute že během zkapalňovaacuteniacute se vklaacutedajiacute do energie maximaacutelniacute investice a proto se jeviacute proziacuteraveacute skladovat a použiacutevat vodiacutek přiacutemo jako kapalinu kdykoli je to možneacute V zaacutevislosti na množstviacute zkapalňovaneacuteho vodiacuteku jsou použiacutevaacuteny různeacute zkapalňovaciacute metody Velkaacute zařiacutezeniacute obvykle využiacutevajiacute kombinace naacutesledujiacuteciacutech metod - turbiacutenovaacute Joule-Thomsonova či magnetokalorickaacute metoda Ve všech přiacutepadech je zkapalněniacute dosaženo kompresiacute naacutesledovaneacute určityacutem způsobem expanze buď nevratneacute využitiacutem škrtiacuteciacuteho ventilu či čaacutestečně vratneacute využitiacutem expanzniacuteho stroje Obvykle je použito 6 stupňů tepelneacuteho vyacuteměniacuteku přičemž prvniacute je chlazen tekutyacutem dusiacutekem V předposledniacutem kroku obstaraacutevaacute expanzi Joule-Thomsonův ventil Využitiacute magnetokalorickyacutech metod umožňuje přeměnu ortho-vodiacuteku na para-vodiacutek Po několika krociacutech je dosažen obsah para-vodiacuteku okolo 95 Para-vodiacutek maacute menšiacute energetickyacute obsah než ortho-vodiacutek[12] Způsob uskladněniacute kapalneacuteho vodiacuteku je obvykle proveden pomociacute uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků majiacuteciacutech perlitoveacute podtlakoveacute izolace V USA je mnoho obdobnyacutech zaacutesobniacuteků Největšiacute z nich patřiacute NASA a je situovaacuten na mysu Canaveral Tento zaacutesobniacutek maacute objem přibližně 3 800 m3 (přibližně 270 t LH2) Běžneacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky majiacute objemy od 1 500 l (přibližně 1 100 Nm3) až do 75 000 l

41

(přibližně 60 000 Nm3) V souvislosti s aktivitami tyacutekajiacuteciacutemi se dopravniacutech prostředků na vodiacutek byla v Německu vyvinuta malaacute přenosnaacute uskladňovaciacute zařiacutezeniacute Zaacutesobniacuteky pro automobily (umiacutestěneacute v testovanyacutech dopravniacutech prostředciacutech BMW) a autobusy (umiacutestěneacute v MAN-Bus SL202) jsou v současnosti vyraacuteběneacute pouze v maleacutem počtu Zaacutesobniacuteky pro autobusy se sklaacutedajiacute ze třiacute eliptickyacutech křiacutežiacuteciacutech se zaacutesobniacuteků každyacute o objemu 190 l odpoviacutedajiacuteciacute energetickeacutemu obsahu 450 kWh či 150 Nm3 plynneacuteho vodiacuteku při normaacutelniacutech podmiacutenkaacutech Dosažitelnaacute energetickaacute hustota je 45 kWhkg či 213 kWhl Zaacutesobniacuteky jsou konstruovaacuteny z 200 - 300 vrstev izolačniacutech foacuteliiacute dovolujiacuteciacutech odpařit okolo 1 zkapalněneacuteho plynu za den Nicmeacuteně toto množstviacute narůstaacute při spojeniacute několika zaacutesobniacuteků dohromady vlivem ztraacutet ve spojovaciacutem potrubiacute [12]

Obr 16 120 litrovaacute naacutedrž na tekutyacute vodiacutek firmy Linde [16]

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů

Systeacutemy skladovaacuteniacute v hydridech kovů se zaklaacutedajiacute na principu snadneacute absorpce plynu určityacutemi materiaacutely za podmiacutenek vysokeacuteho tlaku a miacuternyacutech teplot Tyto laacutetky pak uvolňujiacute vodiacutek jako plyn v přiacutepadě kdy jsou zahřiacutevaacuteny při niacutezkyacutech tlaciacutech a relativně vysokyacutech teplotaacutech V podstatě tyto materiaacutely kovy nasaacutevajiacute a uvolňujiacute vodiacutek jako bdquohoubaldquo Vyacutehoda skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů se soustřeďuje na skutečnost že vodiacutek se staacutevaacute součaacutestiacute chemickeacute struktury těchto kovů a proto daacutele neniacute požadovaacuten vysokyacute tlak nebo kryogenniacute teplota pro vlastniacute provoz [12] Vodiacutek se uvolňuje z hydridů pro použitiacute při niacutezkeacutem tlaku hydridy kovů jsou ve sveacute podstatě nejbezpečnějšiacute ze všech systeacutemů skladovaacuteniacute Existuje mnoho typů specifickyacutech hydridů kovů primaacuterně se však staviacute na kovovyacutech slitinaacutech hořčiacuteku niklu železa a titanu Hydridy kovů mohou byacutet rozděleny dle vysoko nebo niacutezkoteplotniacute desorpce vodiacuteku Vysokoteplotniacute hydridy jsou levnějšiacute a jsou schopneacute uchovaacutevat viacutece vodiacuteku než niacutezkoteplotniacute ale vyžadujiacute vyacuteznamně viacutece tepelneacute energie

42

pro uvolněniacute vodiacuteku Niacutezkoteplotniacute hydridy mohou na rozdiacutel od vysokoteplotniacutech hydridů ziacuteskat dostatek tepelneacute energie pro uvolněniacute vodiacuteku z vlastniacute jednotky ktereacute vyžadujiacute externiacute zdroj tepelneacute energie Niacutezkaacute teplota desorpce ve spojeniacute s niacutezkoteplotniacutemi hydridy může byacutet probleacutemem vzhledem k přiacuteliš snadneacutemu uvolňovaacuteniacute plynu za okolniacutech podmiacutenek K překonaacuteniacute těchto probleacutemů musiacute byacutet niacutezkoteplotniacute hydrid kovu pod tlakem čiacutemž vzrůstaacute komplikovanost procesu Typickeacute charakteristiky hydridů kovů jsou shromaacutežděny v tabulce 6

Charakteristika NiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacute VysokoteplotniacuteVysokoteplotniacuteVysokoteplotniacute

T i 2 N i -H25

F e T i -H25

VH-VH2 L a N i 5 -H67

M g C u -H3

M g 2 N i -H4

Mg-H

Množs tv iacute s l i t i ny absorbujiacuteciacute H2 []

161 187 192 155 267 371 825

Množstviacute hydridu s c h o p n eacute h o absorbovat energii jako z 1l benziacutenu [kg]

155 134 130 161 - 675 35

Množstviacute slitiny k akumulaci 25 kg vodiacuteku [kg]

217 188 182 225 - 95 50

Desorpčniacute teplota při tlaku 15 barg [degC]

-3 7 15 21 245 267 296

Doplňovaacuteniacute snadneacute - - těžkeacute - těžkeacute těžkeacute

Tab 6 Charakteristika použiacutevanyacutech hydridů kovu [12]

Hlavniacute nevyacutehodou skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů neniacute jen teplota a tlak nutnyacute pro extrakci vodiacuteku ale i jejich niacutezkaacute hustota energie Dokonce i ty nejlepšiacute hydridy obsahujiacute jen 8 hmotnostniacutech procent vodiacuteku Majiacute proto velkou hmotnost a naviacutec jsou draheacute Systeacutem s hydridem kovu může byacutet až třicetkraacutet těžšiacute a desetkraacutet objemnějšiacute než naacutedrž s benziacutenem stejneacuteho energetickeacuteho obsahu Dalšiacute nevyacutehodou systeacutemů na baacutezi hydridu kovu je nutnost použiacutevat jen velmi čistyacute vodiacutek jinak dojde ke kontaminaci hydridu s naacuteslednou ztraacutetou kapacity Kysliacutek a voda jsou prvotniacutemi činiteli jelikož se chemicky adsorbujiacute na povrch kovů a nahrazujiacute potenciaacutel vodiacutekovyacutech vazeb Sniacuteženiacute kapacity kontaminaciacute může byacutet do určiteacute miacutery reaktivovaacuteno teplem Dalšiacute probleacutemy spojeneacute s hydridy kovů souvisiacute s jejich strukturou Typickeacute provedeniacute se naleacutezaacute ve formě zrniteacute granulovaneacute nebo praacuteškoveacute struktury kteraacute tak poskytuje co největšiacute plochu pro kontakt s plynem Tyto čaacutestice jsou naacutechylneacute na abrazi jež u obojiacuteho vede k redukci jejich efektivity a může veacutest k ucpaacuteniacute profilu přepouštěciacutech ventilů nebo trubek Žaacutednyacute specifickyacute materiaacutel nemaacute vynikajiacuteciacute vlastnosti ve všech požadovanyacutech směrech (vysokaacute kapacita absorpce vysokaacute hustota energie malaacute potřeba tepla a niacutezkeacute naacuteklady) Z tohoto důvodu se použiacutevaacute směs různyacutech vysoko a niacutezkoteplotniacutech hydridů kdy se vyrovnaacutevajiacute vyacutehody a nevyacutehody různyacutech typů při různyacutech podmiacutenkaacutech provozu [12]

43

Obr 17 Vlastnosti vybranyacutech hydridů [8]

331 Hydridy alkalickyacutech zemin

Noveacute variace hydridů ktereacute nabiacutezejiacute vyacutehodnějšiacute vlastnosti oproti předchoziacutem metodaacutem se tyacutekajiacute peletizovanyacutech sodiacutekovyacutech drasliacutekovyacutech a lithnyacutech složek Tyto složky hydridů reagujiacute s vodou za vyacutevinu vodiacuteku bez nutnosti dodaacutevaacuteniacute tepelneacute energie Nejpokročilejšiacute komerčně vyviacutejenyacute systeacutem vyžaduje použitiacute hydroxidu sodneacuteho jenž je hojně k dispozici jakožto odpadniacute materiaacutel z průmysloveacute vyacuteroby papiacuteru plastu z ropneacuteho průmyslu a jinyacutech Hydroxid sodnyacute je převeden na hydrid sodnyacute(NaH) za přiacutevodu tepla naacutesledovně

2NaOH + tepenerrarr 2NaH +O2

NaH potom může byacutet peletizovaacuten tyto pelety se pokryacutevajiacute vodě-odolnyacutem plastem nebo povlakem Sodiacutek se tak staacutevaacute neaktivniacutem a lze ho potom jednoduše transportovat Pro uvolněniacute vodiacuteku je ochrannyacute povlak rozrušovaacuten a naacutesleduje reakce s vodou

NaH (s)+ H2O(l)rarr NaOH (l)+ H2 (g) Tato reakce probiacutehaacute poměrně rapidně a vodiacutek z teacuteto reakce maacute tlak kolem 8-10 bar Hydroxid sodnyacute lze ziacuteskat zpět a může byacutet opětovně použiacutevaacuten v procesu Vyacutehoda tohoto uchovaacutevaacuteniacute vodiacuteku oproti ostatniacutem hydridům je absence potřeby tepla pro uvolněniacute vodiacuteku Tento proces je relativně jednoduchyacute a z toho plyne i jednoduššiacute konstrukce takoveacuteho procesniacuteho zařiacutezeniacute Nevyacutehodou tohoto procesu jsou komplikace spojeneacute s mechanickyacutem rozrušovaacuteniacutem pelet kontrolovanyacutem způsobem a naacutesledneacute využitiacute odpadniacutech materiaacutelů kteryacute obklopuje odpadniacute hydroxid sodnyacute a použiteacute plastoveacute obaly pelet Proces využiacutevajiacuteciacute kombinaci generovaacuteniacute vodiacuteku a skladovaacuteniacute pro jednoraacutezoveacute použitiacute Stejně jako u elektrolyacutezy je vodiacutek

44

v hydridu sodneacutem nositel energie ne však jejiacute zdroj Hydroxid sodnyacute se nachaacuteziacute v niacutezkeacutem energetickeacutem stavu a musiacute byacutet přenesen do vyššiacuteho stavu pomociacute dodaacuteniacute tepelneacute energie

34 Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku

V současnosti se se zkoumajiacute dalšiacute skladovaciacute metody vodiacuteku jako je adsorpce na uhliacutekovyacutech poreacutezniacutech strukturaacutech skleněneacute mikrosfeacuterya oxidačniacute technologie železa Tyto metody jsou použiacutevaacuteny pouze laboratorněa jejich nasazeniacute do komerčniacute sfeacutery ještě nelze v bliacutezkeacute budoucnosti očekaacutevat

341 Uhliacutekovaacute adsorpce

Uhliacutekovaacute adsorpce je založena na slučitelnosti uhliacuteku a vodiacutekovyacutech atomů Vodiacutek je čerpaacuten do kontejnerů se substraacutetem malyacutech karbonovyacutech čaacutestic kde je vaacutezaacuten molekulaacuterniacutemi silami Tato metoda silně připomiacutenaacute metodu skladovaacuteniacute v hydridech kovů je ovšem zdokonalena v oblasti niacutezkyacutech teplot kde se uvažuje rozdiacutel mezi tekutyacutem vodiacutekem a chemickou vazbou Uhliacutek adsorbuje při teplotaacutech -185 až -85 degC a tlaciacutech 21 až 48 bar Velikost adsorpce uhliacutekem se zvyšuje s nižšiacutemi teplotami Teplo při překročeniacute teplotniacute hranice 150degC uvolňuje vodiacutek

342 Technologie uhliacutekovyacutech nanovlaacuteken

Laboratorniacute vyacutesledky ukazujiacute tuto metodu jako velmi nadějnou pro budouciacute použitiacute Vodiacutek uskladněnyacute ve sloučenině může dosaacutehnout až 70 celkoveacute vaacutehy sloučeniny Typickeacute hydridy kovů jsou schopny přijmout 2-4 vaacutehy sloučeninyv hmotnostně těžkeacute struktuře Pokud by tyto vyacutesledky byly reaacutelně prokaacutezaacuteny potom vozidla použiacutevajiacuteciacute vodiacutekoveacute palivoveacute člaacutenky budou schopny ujet až 5000 km bez potřeby doplněniacute paliva Tiacutem by se vyřešil probleacutem chybějiacuteciacute infrastruktury distribuce vodiacuteku Takoveacute palivo by se mohlo skladovat ve skladištiacutech nebo posiacutelat prostřednictviacutem přepravniacutech služeb

343 Skleněneacute mikrosfeacutery Systeacutemy skleněnyacutech mikrosfeacuter použiacutevajiacute maleacute skleněneacute sfeacutery (kuličky)s průměrem menšiacutem než 100 microm jež jsou schopny odolat tlakům až 1 000 MPa Vodiacutek je do nich nuceně vhaacuteněn velmi vysokyacutemi tlaky Jakmile je vodiacutek uskladněn kuličky je možno ponechat v podmiacutenkaacutech okolniacuteho prostřediacute bez ztraacutet vodiacuteku Přivedeniacute nevelkeacuteho množstviacute tepelneacute energie se uvolňuje vodiacutek zpět Pro zajištěniacute zvyacutešeniacute rychlosti uvolňovaacuteniacute vodiacuteku ze skleněnyacutech mikrosfeacuter se provaacutediacute experimenty i formou drceniacute kuliček [12]

344 Oxidace železa

Oxidace železa je proces při ktereacutem se vodiacutek vytvaacuteřiacute reakciacute poacuteroviteacuteho železa (surovaacute ingredience pro ocelaacuteřskeacute pece) s vodniacute paacuterou Reakce potom lze popsat naacutesledujiacuteciacutem rovnicemi

Fe+ H2Oharr FeO + H2

45

3FeO + H2Oharr Fe3O4 + H2

Vedlejšiacutem produktem tohoto procesu je rez Jakmile železo plně zkoroduje je potřeba ho vyměnit za noveacute Produkty reakce jsou přeměněny na původniacute formu Paacuteru a tepelnou energii potřebnou pro průběh reakce lze ziacuteskaacutevat pomociacute spalovaciacute jednotky nebo v přiacutepadě palivovyacutech člaacutenků z jejich chladiacuteciacuteho okruhu (meacutedia) Ačkoliv je ocel levnaacute jejiacute hmotnost činiacute tuto metodu nevyacutehodnou Efektivniacute hmotnost paliva vůči celkoveacute hmotnosti systeacutemu uskladněniacute je 45 Vlastniacute reakce probiacutehaacute při teplotě 80 - 200 degC

46

4Palivoveacute člaacutenky

Za objevitele principu palivoveacuteho člaacutenku je považovaacuten Sir William Grove přičemž datum objevu se datuje do roku 1839 Během konce 19 a počaacutetku 20 stoletiacute se vědci pokoušeli objevit noveacute typy palivovyacutech člaacutenků kombinujiacutece přitom různaacute paliva a elektrolyty Avšak většinou bezvyacutesledně Rozvoj v teacuteto oblasti nastal až kolem poloviny 20 stoletiacute v důsledku snah najiacutet alternativniacute zdroje pro vesmiacuterneacute lety Gemini a Apollo Ale i tyto pokusy byly zpočaacutetku neuacutespěšneacute Až roku 1959 předvedl Francis T Bacon prvniacute plně fungujiacuteciacute palivovyacute člaacutenek Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (PEM FC ndash Proton Exchange Membrane Fuel Cells) byly poprveacute použity společnostiacute NASA v roce 1960 jako součaacutest vesmiacuterneacuteho programu Gemini Tyto palivoveacute člaacutenky využiacutevaly jako reakčniacute plyny čistyacute kysliacutek a čistyacute vodiacutek Byly maleacute a draheacute (a tedy komerčně neefektivniacute) Zaacutejem NASA stejně jako energetickaacute krize v roce 1973 zvyacutešili zaacutejem o alternativniacute druhy ziacuteskaacutevaacuteniacute energie a tiacutem došlo k překotneacutemu vyacutevoji v oblasti palivovyacutech člaacutenků Předevšiacutem diacuteky tomuto tlaku našly tyto člaacutenky uacutespěšneacute uplatněniacute v různorodyacutech aplikaciacutech

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků Palivoveacute člaacutenky zpracovaacutevajiacute pouze čistyacute vodiacutek Teoreticky pracujiacute bez škodlivyacutech laacutetek Produktem reakce jsou kromě elektrickeacute energie takeacute vodaa teplo V přiacutepadě že palivoveacute člaacutenky využiacutevajiacute plynnou reformačniacute směs bohatou na vodiacutek vznikajiacute škodliveacute zplodiny avšak těchto zplodin je meacuteně než těch ktereacute vznikajiacute v přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem využiacutevajiacuteciacutech jako zdroj energie konvenčniacute fosilniacute paliva Motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem ktereacute spalujiacute směsi chudeacute na vodiacutek a vzduch jsou rovněž schopneacute dosaacutehnout niacutezkeacute hladiny škodlivin avšak u těchto strojů dochaacuteziacute současně ke spalovaacuteniacute mazaciacuteho oleje což maacute za naacutesledek naacuterůst škodlivyacutech emisiacute Palivoveacute člaacutenky pracujiacute s vyššiacute termodynamickou uacutečinnostiacute než tepelneacute motory Tepelneacute motory přeměňujiacute chemickou energii na teplo prostřednictviacutem spalovaacuteniacute a využiacutevajiacute toho že teplo konaacute praacuteci Se zvyacutešeniacutem teploty horkeacuteho plynu vstupujiacuteciacuteho do motoru a se sniacuteženiacutem teploty chladneacuteho plynu po expanzi se zvyacutešiacute i termodynamickaacute uacutečinnost Teoreticky lze tedy navyacutešit horniacute teplotu libovolnyacutem množstviacutem tepla dle požadovaneacute termodynamickeacute uacutečinnosti zatiacutemco dolniacute hranice teploty nemůže nikdy klesnout pod teplotu okoliacute Avšak ve skutečnyacutech tepelnyacutech motorech je horniacute teplota limitovaacutena použityacutemi materiaacutely Kromě toho motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem majiacute vstupniacute teplotu rovnu pracovniacute teplotě kteraacute je mnohem nižšiacute než teplota vzplanutiacute Palivoveacute člaacutenky nepoužiacutevajiacute proces spalovaacuteniacute jejich uacutečinnost neniacute spjata s jejich maximaacutelniacute provozniacute teplotou Vyacutesledkem je že uacutečinnost přeměny energie může byacutet vyacuterazně většiacute než skutečnaacute reakce spalovaacuteniacute Kromě vyššiacute relativniacute tepelneacute uacutečinnosti palivoveacute člaacutenky vykazujiacute takeacute vyššiacute uacutečinnost oproti tepelnyacutem motorům při jejich čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky nevykazujiacute ostreacute propady v uacutečinnosti jak je tomu v přiacutepadě velkyacutech elektraacuteren Tepelneacute motory dosahujiacute nejvyššiacute uacutečinnosti při praacuteci v navrhovaneacutem provozniacutem stavu a vykazujiacute rapidniacute poklesy uacutečinnosti při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky majiacute vyššiacute uacutečinnost při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute než při zatiacuteženiacute plneacutem Takeacute změny uacutečinnosti jsou v celeacutem provozniacutem rozsahu menšiacute Palivoveacute člaacutenky vykazujiacute dobreacute dynamickeacute charakteristiky Stejně jako baterie jsou takeacute palivoveacute člaacutenky pevnaacute statickaacute zařiacutezeniacute kteraacute reagujiacute na změny v elektrickeacute

47

zaacutetěži okamžitě změnami chemickyacutemi Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute na čistyacute vodiacutek majiacute vynikajiacuteciacute celkovou odezvu Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute s reformaacutetem (nejčastěji palivo na baacutezi uhlovodiacuteků) a využiacutevajiacute palubniacute reformer mohou miacutet tuto odezvu pomalou zvlaacuteště při použitiacute techniky parniacuteho reformingu (metoda zpracovaacuteniacute reformaacutetu nejčastěji za vzniku vodiacuteku a oxidů uhliacuteku) V přiacutepadě použitiacute palivovyacutech člaacutenků jako generaacutetorů elektrickeacute energie vyžadujiacute tyto člaacutenky meacuteně energetickyacutech přeměn než tepelneacute motory Jestliže budou použity jako zdroje mechanickeacute energie potom požadujiacute stejneacute množstviacute přeměn ačkoliv jednotliveacute transformace se odlišujiacute od těch jež probiacutehajiacute v přiacutepadě tepelnyacutech motorů Palivoveacute člaacutenky jsou vhodneacute pro mobilniacute aplikace pracujiacuteciacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech (typickeacute jsou teploty nižšiacute než 100 degC) Provoz při nižšiacutech teplotaacutech se vyznačuje většiacute bezpečnostiacute a kraacutetkyacutem zahřiacutevaciacutem časem Naviacutec termodynamickaacute uacutečinnost elektrochemickeacute reakce je podstatně vyššiacute než uacutečinnost přeměny energie chemickyacutech vazeb na energii elektrickou pomociacute tepelnyacutech motorů Nevyacutehodou se však jeviacute obtiacutežnyacute odvod odpadniacuteho tepla kteryacute musiacute byacutet zajištěn většiacutem chladiacuteciacutem systeacutemem a i přes vysokeacute provozniacute teploty pomalyacute proces elektrochemickeacute reakce Palivoveacute člaacutenky mohou byacutet použity v kogeneračniacutech aplikaciacutech Kromě elektrickeacute energie produkujiacute palivoveacute člaacutenky takeacute čistou horkou vodu a teplo Palivoveacute člaacutenky nevyžadujiacute dobiacutejeniacute avšak musiacute mu byacutet dodaacutevaacuteno palivo což je ovšem mnohem rychlejšiacute než dobiacutejeniacute bateriiacute Mohou takeacute poskytovat většiacute rozsah (delšiacute doba poskytovaacuteniacute elektrickeacute energie) v zaacutevislosti na velikost naacutedrže s palivem a oxidantem Palivoveacute člaacutenky majiacute niacutezkeacute opotřebeniacute a vysokou životnost (někteřiacute vyacuterobci udaacutevajiacute až desetitisiacutece hodin) Nejsou přiacutetomny pohybliveacute čaacutesti z čehož vyplyacutevaacute tichyacute chod palivovyacutech člaacutenků a schopnost snaacutešet i značnaacute přetiacuteženiacute Proti klasickyacutem elektrochem akumulaacutetorům použiacutevanyacutem v současnyacutech elektromobilech majiacute palivoveacute člaacutenky vyššiacute dojezdovou vzdaacutelenost Vyřazeneacute palivoveacute člaacutenky na rozdiacutel od akumulaacutetorů nezatěžujiacute životniacute prostřediacute těžkyacutemi kovy

42 Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků

Vodiacutek kteryacute je ekologicky prospěšnyacute se velmi obtiacutežně vyraacutebiacute a uskladňuje Současneacute vyacuterobniacute procesy jsou draheacute a energeticky naacuteročneacute naviacutec často vychaacutezejiacute z fosilniacutech paliv Efektivniacute infrastruktura dodaacutevky vodiacuteku nebyla ještě ani vytvořena Systeacutemy uskladňujiacuteciacute plynnyacute vodiacutek se vyznačujiacute obrovskyacutemi rozměry a obtiacutežnyacutem přizpůsobeniacutem energeticky niacutezkeacute objemoveacute hustotě vodiacuteku Systeacutemy uskladňujiacuteciacute tekutyacute vodiacutek jsou mnohem menšiacute a lehčiacute ovšem musiacute byacutet provozovaacuteny za kryogenniacutech teplot Možnost představuje takeacute uskladněniacute vodiacuteku pomociacute uhlovodiacuteků a alkoholů odkud může byacutet uvolňovaacuten dle požadavku diacuteky palubniacutemu reformeru Je pravdou že toto uskladněniacute manipulaci s vodiacutekem zjednodušiacute avšak některeacute ekologickeacute vyacutehody budou nenaacutevratně ztraceny (praacutevě diacuteky využitiacute uhlovodiacuteků či alkoholů a s tiacutem souvisejiacuteciacute emise COx) Palivoveacute člaacutenky požadujiacute čisteacute palivo bez specifickyacutech znečišťujiacuteciacutech laacutetek Tyto laacutetky jako jsou siacutera a uhliacutekoveacute sloučeniny či zbytkovaacute tekutaacute paliva (v zaacutevislosti na typu palivoveacuteho člaacutenku) mohou poškodit katalyzaacutetor palivoveacuteho člaacutenku čiacutemž přestaacutevaacute samotnyacute člaacutenek fungovat V přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem nezpomaluje ani jedna z těchto škodlivyacutech laacutetek samotnyacute proces spalovaacuteniacute

48

Palivoveacute člaacutenky se hodiacute pro automobiloveacute aplikace Ty jsou typickeacute svyacutem požadavkem platinoveacuteho katalyzaacutetoru pro podporu reakce při ktereacute se vyraacutebiacute elektrickaacute energie Platina je vzaacutecnyacute kov a je velmi drahaacute Za diacutelčiacute nevyacutehody lze poklaacutedat i skutečnost že vyacutekon odebiacuteranyacute z 1 cm2 elektrod je zatiacutem niacutezkyacute Palivoveacute člaacutenky produkujiacute v průběhu vyacuteroby elektrickeacute energie čistou vodu Většina palivovyacutech člaacutenků vhodnyacutech pro automobiloveacute aplikace takeacute využiacutevaacute jako reaktanty vlhkeacute plyny I nepatrnaacute zbytkovaacute voda v palivoveacutem člaacutenku může přitom způsobit nevratnou zničujiacuteciacute expanzi v přiacutepadě vystaveniacute mrazu Při provozu vyraacutebějiacute palivoveacute člaacutenky dostatečneacute teplo zabraňujiacuteciacute mrznutiacute při okolniacutech teplotaacutech pod bodem mrazu V přiacutepadě že jsou za mraziveacuteho počasiacute palivoveacute člaacutenky vypnuty musiacute byacutet trvale vyhřiacutevaacuteny či z nich musiacute byacutet kompletně odstraněna zbytkovaacute voda před tiacutem než člaacutenek zmrzne Z tohoto důvodu musiacute byacutet dopravniacute prostředek převezen do zahřiacutevaciacuteho zařiacutezeniacute nebo je nezbytně nutneacute instalovat v jeho bliacutezkosti horkovzdušneacute ohřiacutevaciacute zařiacutezeniacute Palivoveacute člaacutenky vyžadujiacute kontinuaacutelniacute odstraňovaniacute zplodin chemickyacutech reakciacute jejichž množstviacute zaacutevisiacute na velikosti odebiacuteraneacuteho proudu (odčerpaacutevaacuteniacute vody vodniacute paacutery či produktů oxidace) vyžadujiacute takeacute složiteacute řiacutediacuteciacute systeacutemy a uvedeniacute do provozu může trvat několik minut

43 Princip funkce palivovyacutech člaacutenků

Palivovyacute člaacutenek je ve sveacute podstatě zařiacutezeniacute ktereacute produkuje elektřinu po celou dobu kdy je mu dodaacutevaacuteno palivo V palivoveacutem člaacutenku dochaacuteziacute ke transformaci uloženeacute chemickeacute energie paliva do elektrickeacute energie Rozdiacutel mezi spalovaciacutem motorem a palivovyacutem člaacutenkem je daacuten rozdiacutelnyacutem způsobem přeměny energie Ve spalovaciacutem motoru dochaacuteziacute ke spaacuteleniacute paliva naacutesledneacutemu uvolněniacute tepla Teplo je daacutele přeměněno na mechanickou energii a teprve mechanickaacute energie je přeměněna na energii elektrickou Každaacute přeměna v tomto cyklu maacute za naacutesledek určitou ztraacutetu energie V kontrastu s tiacutemto cyklem palivoveacute člaacutenky fungujiacute velmi jednoduše a efektivně K produkci elektřiny dochaacuteziacute pomociacute chemickeacute reakce V jednoducheacutem palivoveacutem člaacutenku probiacutehajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 rarr 2H + + 2eminus

12O2 + 2H

+ + 2eminus rarr H2O

Protony prochaacuteziacute elektrolytem a na katodě se spojiacute s kysliacutekem nejčastěji vzdušnyacutem a utvořiacute tak vodu Elektrony jsou směrovaacuteny externiacutem okruhem kde vytvaacuteřejiacute stejnosměrneacute proud Tyto zařiacutezeniacute mohou dosaacutehnout uacutečinnost až 40 Palivoveacute člaacutenky jsou schopny pracovat nejen s čistyacutem vodiacutekem ale takeacute s reformovanyacutemi palivy jako je metan jelikož v nich neniacute oxid uhličityacute Vyacutekon systeacutemu palivovyacutech člaacutenků může byacutet popsaacuten zaacutevislostiacute proudu a napětiacute Je prezentovaacuten ve formě grafu nazvanyacutem proud-napěťovaacute křivka Vyacutestupniacute napětiacute je funkciacute proudu normalizovaneacute plochou člaacutenku udaacutevajiacuteciacute proudovou hustotu Ideaacutelniacute palivovyacute člaacutenek by dodal jakeacutekoliv množstviacute proudu při udrženiacute konstantniacuteho napětiacute určeneacuteho termodynamikou procesu V opravdoveacutem světě je skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute nižšiacute než termodynamicky určeneacute napětiacute ideaacutelniacute tento rozdiacutel je způsoben nevyhnutelnyacutemi ztraacutetami v systeacutemu Ztraacutety jsou kompenzovaacuteny dodaniacutem vyššiacuteho proudu palivovyacutem člaacutenkem

49

Čiacutem většiacute množstviacute proudu je potřeba ziacuteskat z palivovyacutech člaacutenků tiacutem většiacute jsou nevratneacute ztraacutety způsobujiacuteciacute pokles vyacutestupniacuteho napětiacute Existujiacute 3 hlavniacute typy ztraacutet v palivovyacutech člaacutenciacutech

1 Aktivačniacute ztraacutety - v důsledku elektrochemickeacute reakce2 Odporoveacute ztraacutety - v důsledku iontoveacuteho a elektronoveacuteho vedeniacute3 Koncentračniacute ztraacutety - v důsledku pohybu hmoty

Vyacutestupniacute napětiacute je tedy funkciacute termodynamicky předpoklaacutedaneacuteho napětiacute a jednotlivyacutech zraacutet a může byacutet vyjaacutedřeno naacutesledovně

V = Ethermo minusηakt minusηodp minusηkonc

kde V - skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute Ethermo - termodynamicky určeneacute napětiacute ηakt - aktivačniacute ztraacutety ηodp - odporoveacute ztraacutety ηkonc - koncentračniacute ztraacutety Vyacutekon palivoveacuteho člaacutenku je pak určen podle vztahu

P = i sdotVkde P - vyacutekon [W] i - proudovaacute hustota [Acm2] V - napětiacute [V] Dalšiacute charakteristikou palivoveacuteho člaacutenku je křivka vyacutekonoveacute hustoty kteraacute ukazuje vyacutekonovou hustotu dodanou palivovyacutem člaacutenkem jako funkci proudoveacute hustoty Schematicky je tato zaacutevislost znaacutezorněna na obraacutezku 18

Obr 18 Křivka vyacutekonoveacute hustoty [8]

Vyacutekonovaacute hustota palivoveacuteho člaacutenku roste s rostouciacute proudovou hustotou dosaacutehne maxima a poteacute dochaacuteziacute k poklesu při staacutele vysokeacute proudoveacute hustotě Palivoveacute člaacutenky jsou navrhovaacuteny pro praacuteci v nebo těsně pod maximem vyacutekonoveacute hustoty Při proudoveacute hustotě pod maximem vyacutekonoveacute hustoty se zlepšuje uacutečinnost

50

napětiacute ale klesaacute vyacutekonovaacute hustota Při proudoveacute hustotě vyššiacute než je maximum vyacutekonoveacute hustotě klesaacute uacutečinnost napětiacute a vyacutekonovaacute hustota Potenciaacutel systeacutemu vykonaacutevat elektrickou praacuteci je měřen pomociacute napětiacute normaacutelniacuteho stavu vratneacuteho napětiacute je

E0 = minus Δgrxn0

n sdotFkde Δg0rxn je změna Gibssovy volneacute energie n počet molů přenesenyacutech elektronů F Faradayova konstanta Při standardniacutech podmiacutenkaacutech je maximaacutelniacute napětiacute ziacuteskaneacute pro vodiacuteko-kysliacutekoveacute palivo rovnu 123 V Pro ziacuteskaacuteniacute použitelneacuteho napětiacute jsou tak palivoveacute člaacutenky spojovaacuteny do seacuteriiacute Vratneacute napětiacute palivoveacuteho člaacutenku vysoce na provozniacutech podmiacutenkaacutech jako je teplota tlak a chemickaacute aktivita Korelace napětiacute a teploty je reprezentovaacutena naacutesledujiacuteciacute rovniciacute

dEdT

= Δsn sdotF

kde Δs je změna entropie pro palivoveacute člaacutenky je entropie negativniacute vratneacute napětiacute maacute potom tendenci klesat s rostouciacute teplotou Napětiacute se měniacute se změnou tlaku podle vztahu

dEdp

= minus Δvn sdotF

kde Δv je změna objemu Změna vratneacuteho napětiacute s tlakem je spojena se změnou objemu reakce Pokud je změna objemu reakce zaacutepornaacute potom napětiacute roste s rostouciacutem tlakem Tlak a teplota majiacute minimaacutelniacute vliv na vratneacute napětiacute Chemickaacute aktivita maacute vyacuteznamnějšiacute vliv kteryacute se daacute určit pomociacute Nernstovi rovnice

E = E0 minus R sdotTn sdotF

lnaprodviprodareakviprod

Nernstova rovnice uvaacutediacute vztah mezi ideaacutelniacutem standardniacutem potenciaacutelem E0

pro reakci ve člaacutenku ideaacutelniacute rovnovaacutehou potenciaacutelu E při jinyacutech teplotaacutech a parciaacutelniacutem tlaku reaktantů a produktu Jakmile je znaacutem ideaacutelniacute standardniacute potenciaacutel lze určit i ideaacutelniacute napětiacute pro různeacute teploty a tlaky podle Nernstovi rovnice Z teacuteto rovnice pro vodiacutekovou reakci plyne že ideaacutelniacute potenciaacutel člaacutenku při daneacute teplotě může byacutet zvyacutešen pomociacute provozu za vyššiacuteho tlaku reaktantů Nernstova rovnice plně nevysvětluje vliv teploty

44 Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků

Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je funkce napětiacute člaacutenku Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je

ε termo =ΔGΔH

kde ΔG je Gibbsova volnaacute energie ΔH je entalpie Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku určena z tohoto vztahu se rovnaacute 83 Skutečneacute napětiacute při provozu palivoveacuteho člaacutenku je menšiacute než reversibilniacute potenciaacutel to maacute za naacutesledek že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vždy nižšiacute než teoretickaacute Tento jev je způsoben ztraacutetami při využitiacute paliva a ztraacutetami napětiacute Skutečnou uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku můžeme určit ze vztahu

51

ε skut = ε termo sdotεnapeti sdotε palivo

kde εtermo je reversibilniacute termodynamickaacute uacutečinnost člaacutenku εnapeti je uacutečinnost napětiacute a εpalivo ztraacutety při utilizaci paliva Uacutečinnost napětiacute zahrnuje ztraacutety způsobeny nevratnyacutem kinetickyacutem efektem v palivoveacutem člaacutenku Je to poměr mezi provozniacutem napětiacute palivoveacuteho člaacutenku V a termodynamickeacuteho reversibilniacuteho napětiacute člaacutenku E

εnapeti =VE

Uacutečinnost utilizace paliva vyjadřuje fakt že ne všechno palivo dodaneacute do člaacutenku se bude podiacutelet na elektrochemickeacute reakci Uacutečinnost je poměr paliva použiteacuteho na produkci daneacuteho množstviacute elektrickeacute energie ku celkoveacutemu množstviacute paliva dodaneacuteho do palivoveacuteho člaacutenku kde i je proud generovaacuten palivovyacutem člaacutenkem a vpalivo je rychlost dodaacutevaacuteniacute paliva do člaacutenku [molsec]

ε palivo =i n sdotFvpalivo

Kombinaciacute vztahů pro jednotliveacute uacutečinnosti dostaneme naacutesledujiacuteciacute vztah pro skutečnou uacutečinnost člaacutenku

ε skut =Δg

ΔhHHVsdotVEsdot i n sdotFvpalivo

Na obraacutezku 19 je porovnaacuteniacute uacutečinnostiacute jednotlivyacutech metod vyacuteroby elektrickeacute energie Z obraacutezku je jasně patrneacute že celkovaacute uacutečinnost palivovyacutech člaacutenku převyšuje ostatniacute způsoby vyacuteroby elektrickeacute energie

Obr 19 Uacutečinnost vyacuteroby elektrickeacute energie [8]

52

45Typy palivovyacutech člaacutenků

Jednotliveacute typy palivovyacutech člaacutenků se lišiacute předevšiacutem typem použiteacuteho elektrolytu Typ elektrolytu určuje provozniacute teplotu jež se pro různeacute typy palivovyacutech člaacutenků vyacuterazně lišiacute

451 Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech vyššiacutech než 600 degC (1100degF) Tyto vysokeacute teploty umožňujiacute samovolnyacute vnitřniacute reforming lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv jako je metan ndash na vodiacutek a uhliacutek za přiacutetomnosti vody Reakce probiacutehajiacuteciacute na anodě za podpory nikloveacuteho katalyzaacutetoru poskytuje dostatek tepla požadovaneacuteho pro proces parniacuteho reformingu Vnitřniacute reforming odstraňuje potřebu samostatneacuteho zařiacutezeniacute na zpracovaacuteniacute paliva a umožňuje palivoveacutemu člaacutenku zpracovaacutevat i jinaacute paliva než čistyacute vodiacutek Tyto vyacuteznamneacute vyacutehody vedou k naacuterůstu celkoveacute uacutečinnosti teacuteměř o 15 Během naacutesledujiacuteciacute elektrochemickeacute reakce je uvolňovaacutena chemickaacute energie kterou palivovyacute člaacutenek zpracovaacutevaacute Tato chemickaacute energie pochaacuteziacute z reakce mezi vodiacutekem a kysliacutekem při ktereacute vznikaacute voda Z reakce mezi oxidem uhelnatyacutem a kysliacutekem jejiacutemž produktem je oxid uhličityacute Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky produkujiacute takeacute vysokopotenciaacutelniacute odpadniacute teplo jež může byacutet použito pro uacutečely kogenerace Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky reagujiacute velmi snadno a bez potřeby drahyacutech katalyzaacutetorů z ušlechtilyacutech kovů Množstviacute energie uvolněneacute elektrochemickou reakciacute klesaacute s rostouciacute provozniacute teplotou člaacutenku Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky jsou naacutechylneacute na materiaacuteloveacute poruchy Maleacute množstviacute materiaacutelu je schopno po dlouho dobu při vysokyacutech teplotaacutech pracovat bez degradace Vysokoteplotniacute provoz neniacute vhodnyacute pro rozsaacutehleacute vyacuteroby nebo pro aplikace kde je požadovaacuten rychlyacute start zařiacutezeniacute Současneacute aplikace teacuteto metody se zaměřujiacute na stacionaacuterniacute elektraacuterenskeacute zdroje Nejvyacuteznamnějšiacutemi vysokoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů tzv MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů využiacutevajiacute elektrolytu kteryacute je schopen přenaacutešet uhličitanoveacute ionty CO3 2- od katody k anodě Elektrolyt se sklaacutedaacute z roztaveneacute směsi uhličitanu lithia a uhličitanu draselneacuteho Směs je udržovaacutena pomociacute kapilaacuterniacutech sil v keramickeacute podpůrneacute mřiacutežce z hlinitanu litneacuteho Při provozniacute teplotě se struktura elektrolytu změniacute na stav podobnyacute pastě kteraacute umožňuje uacuteniky plynů na okrajiacutech člaacutenku Tyto palivoveacute člaacutenky pracujiacute s teplotami okolo 650 degC a tlaky v rozmeziacute relativniacutech hodnot 1 až 10 barů Každyacute člaacutenek je schopen produkovat stejnosměrneacute napětiacute mezi 07 a 1 V Princip fungovaacuteniacute tohoto člaacutenku je na obraacutezku 20

53

Obr 20 Scheacutema člaacutenku MCFC [8]

Palivoveacute člaacutenky na baacutezi tekutyacutech uhličitanů jsou schopneacute provozu při zaacutesobovaacuteniacute jak čistyacutem vodiacutekem tak lehkyacutemi uhlovodiacutekovyacutemi palivy Palivo napřiacuteklad metan je dopraveno na anodu za přiacutetomnosti vody přijme teplo a podstoupiacute reakci parniacuteho reformingu

CH 4 + H2Orarr 3H2 +CO Pokud bude jako palivo použit jinyacute lehkyacute uhlovodiacutek potom se může počet molekul vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho změnit ale produkty reakce jsou v podstatě vždy stejneacute Reakce na anodě molekuly vodiacuteku s uhličitanovyacutem iontem probiacutehaacute bez ohledu na druh použiteacuteho paliva a vypadaacute naacutesledovně

H2 +CO32minus rarr H2O +CO2 + 2e

minus

Reakce probiacutehajiacuteciacute na katodě a to kysliacuteku s oxidem uhličityacutem probiacutehaacute opět bez ohledu na druhu paliva

O2 + 2CO2 + 4eminus rarr 2CO3

2minus

Iont CO3 2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě Dochaacuteziacute k reakci iontu CO3 2- jak s vodiacutekem tak oxidem uhelnatyacutem Elektrony prochaacutezejiacute přes elektrickou zaacutetěž nachaacutezejiacuteciacute se ve vnějšiacute čaacutesti elektrickeacuteho obvodu od anody ke katodě Celkovaacute reakce na člaacutenku je tedy

2H2 +O2 rarr 2H2O Vyacuteslednaacute reakce oxidu uhelnateacuteho ke ktereacute dochaacuteziacute pouze v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Produktem palivoveacuteho člaacutenku bez ohledu na palivo je voda V přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva je kromě vody produktem takeacute oxid uhličityacute Pro zajištěniacute plynulosti zajištěniacute kvality elektrochemickeacute reakce musiacute byacutet oba produkty plynule odvaacuteděny z katody člaacutenku

54

Mezi hlavniacute vyacutehody palivovyacutech člaacutenků s tekutyacutemi uhličitany patřiacute podpora samovolneacuteho vnitřniacuteho reformingu lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv vyacuteroba vysoko-potenciaacutelniacuteho tepla Samotnaacute reakce nepotřebuje katalyzaacutetory z ušlechtilyacutech kovů maacute velmi dobrou kinetiku a uacutečinnost Palivoveacute člaacutenky ovšem takeacute traacutepiacute mnoho nevyacutehod a provozniacutech omezeniacute Je potřeba vyvinou materiaacutely odolneacute vůči korozi při vysokyacutech teplotaacutech s malyacutem součinitelem objemoveacute roztažnosti ktereacute jsou vysoce mechanicky a tepelně odolneacute a jejichž vyacuteroba je technicky možnaacute Koroze je největšiacute probleacutem těchto člaacutenků Koroze způsobuje oxidaci niklu katody a jeho rozpuštěniacute v elektrolytu to může způsobit zhoršeniacute stavu separaacutetoru vysušeniacute či zaplaveniacute elektrod Korozniacute vlivy způsobujiacute pokles vyacutekonu a zkraacuteceniacute životnosti člaacutenku Rozměrovaacute nestaacutelost způsobenaacute objemovou roztažnostiacute může způsobit zničeniacute elektrod ktereacute změniacute povrch aktivniacute oblasti to může miacutet za naacutesledek ztraacutetu kontaktu a vysokyacute odpor mezi jednotlivyacutemi čaacutestmi člaacutenku Tekutyacute elektrolyt přinaacutešiacute probleacutemy s manipulaciacute člaacutenku Největšiacute nevyacutehodou je dlouhaacute doba potřebnaacute k rozběhu tento fakt tyto člaacutenky odsoudil do pozice použiacutevaacuteniacute pouze ve stacionaacuterniacutech aplikaciacutech

4511 Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů SOFC

Palivoveacute člaacutenky použiacutevajiacute elektrolyt schopnyacute veacutest kysliacutekoveacute ionty O-2 od katody k anodě je to opačnyacute směr než u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků jež vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je tvořen z pevnyacutech oxidů ktereacute majiacute podobu keramiky obvykle zirkonia (stabilizovaneacuteho dalšiacutemi oxidy kovů vzaacutecnyacutech zemin jako je ytrium) Člaacutenky jsou sestavovaacuteny postupnyacutem uklaacutedaacuteniacutem různyacutech vrstev materiaacutelu Běžnaacute uspořaacutedaacuteniacute použiacutevajiacute trubicoveacute či plocheacute tvary jednotlivyacutech člaacutenků Tvary ovlivňujiacute povrch člaacutenku a takeacute těsněniacute člaacutenku a to nejen v důsledku průsaku mezi kanaacutelky paliva a oxidantu ale takeacute vlivem elektrickeacuteho zapojeniacute jednotlivyacutech člaacutenků do bloku Pro materiaacutel elektrod mohou byacutet použity kovy typu niklu a kobaltu Palivoveacute člaacutenky SOFC pracujiacute s teplotami okolo 1000degC a relativniacutemi tlaky kolem 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 08 až 10 V

Obr 21 Scheacutema SOFC [18]

55

Palivoveacute člaacutenky mohou stejně jako MCFC člaacutenky pracovat jak s čistyacutem vodiacutekem tak uhlovodiacutekovyacutemi palivy Vstupniacute palivo se potom sklaacutedaacute jak z vodiacuteku tak z oxidu uhelnateacuteho Reakce na anodě jsou naacutesledujiacuteciacute

H2 +Ominus2 rarr H2O + 2eminus

CO +O2minus rarrCO2 + 2eminus

Reakce na katodě 1 2O2 + 2e

minus rarrO2minus

Iont O2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě vlivem chemickeacute přitažlivosti vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho Uvolněneacute elektrony prochaacutezejiacute vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě V tomto přiacutepadě se ionty pohybujiacute od katody k anodě což je opačnyacute pohyb než probiacutehaacute u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků Produkty reakciacute se tedy hromadiacute spiacuteše na anodě než na katodě Po spojeniacute reakciacute na anodě a katodě můžeme psaacutet vyacutesledneacute reakce člaacutenku

H2 +1 2O2 rarr H2OCO +1 2O2 rarrCO2

Palivoveacute člaacutenky SOFC tedy produkujiacute vodu bez ohledu na použiteacute palivo oxid uhličityacute v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet oba druhy reagentů plynule odvaacuteděny z katody Mezi hlavniacute vyacutehody těchto člaacutenků patřiacute opět umožněniacute samovolneacuteho reformingu uhlovodiacutekovyacutech paliv jelikož ionty kysliacuteku prochaacutezejiacute přes elektrolyt leacutepe než ionty vodiacuteku mohou byacutet tyto člaacutenky použity k oxidaci plynneacuteho paliva Dokaacutežiacute pracovat stejně dobře jak se suchyacutemi tak i vlhkyacutemi palivy Majiacute stejně jako MCFC velkou kinetiku reakce a vysokou uacutečinnost V porovnanaacute s MCFC člaacutenky mohou pracovat s vyššiacute proudovou hustotou a pevnyacute elektrolyt umožňuje snadnějšiacute manipulaci a možnost vyacuteroby rozličnyacutech tvarů a uspořaacutedaacuteniacute Nepotřebujiacute katalyzaacutetor z ušlechtilyacutech kovů Hlavniacute nevyacutehody jsou opět spojeny s vyacutevojem vhodnyacutech materiaacutelů Je zde nutnost vyacutevoje vhodnyacutech materiaacutelů ktereacute majiacute požadovanou vodivost jak elektrickou tak tepelnou a ktereacute zachovaacutevajiacute pevneacute skupenstviacute i při vysokyacutech teplotaacutech jsou chemicky slučitelneacute (kompatibilniacute) s ostatniacutemi čaacutestmi člaacutenku jsou rozměrově staacuteleacute majiacute vysokou mechanickou odolnost a jejichž vyacuteroba je dostatečně technicky zvlaacutednuta Mnoho materiaacutelů je možno použiacutet pro vysokeacute teploty aniž by změnily svoje skupenstviacute na jineacute než pevneacute Vybraneacute materiaacutely musiacute byacutet dostatečně husteacute aby zabraacutenily promiacutechaacutevaacuteniacute paliva s oxidačniacutemi plyny a musiacute miacutet dostatečnou podobnost charakteristik tepelnyacutech roztažnostiacute aby nedošlo k jejich štěpeniacute na vrstvy a k jejich praskaacuteniacute během tepelneacuteho cyklu SOFC palivoveacute člaacutenky jsou citliveacute na přiacutetomnost siacutery v palivu kteraacute nesmiacute překročit hodnotu 500 ppm Celkově je ovšem zatiacutem technologie SOFC nedostatečně vyspělaacute

56

452Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute obvykle s teplotami nižšiacutemi než 250 degC Tyto niacutezkeacute teploty neumožňujiacute vnitřniacute reforming paliva v důsledku čehož vyžadujiacute niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky vnějšiacute zdroj vodiacuteku Na druhou stranu vykazujiacute rychlyacute rozběh zařiacutezeniacute a trpiacute menšiacute poruchovostiacute konstrukčniacutech materiaacutelů Jsou takeacute mnohem vhodnějšiacute pro aplikace v dopravě Nejvyacuteznamnějšiacutemi niacutezkoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC alkalickeacute palivoveacute člaacutenky AFC palivoveacute člaacutenky s protonovou membraacutenou PEM FC a palivoveacute člaacutenky s přiacutemyacutem zpracovaacuteniacutem methanolu DMFC

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute s elektrolytem jenž je schopnyacute veacutest hydroxidoveacute ionty od katody k anodě I tento typ se lišiacute od většiny niacutezkoteplotniacutech člaacutenků ktereacute vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je složen z roztaveneacute alkalickeacute směsi hydroxidu draselneacuteho Elektrolyt může byacutet jak pohyblivyacute tak i pevnyacute Palivoveacute člaacutenky s nepohyblivyacutemi elektrolytem použiacutevajiacute tuhyacute elektrolyt jež je udržovaacuten pohromadě pomociacute kapilaacuterniacutech sil uvnitř poreacutezniacute podpůrneacute krystalickeacute mřiacutežky kteraacute je tvořena azbestem Hmota samotnaacute zajišťuje těsněniacute proti uacuteniku plynů na okraji člaacutenku Produkovanaacute voda se odpařuje do proudu zdrojoveacuteho vodiacutekoveacuteho plynu na straně anody kde současně dochaacuteziacute k jejiacute kondenzaci Odpadniacute teplo je odvaacuteděno přes obiacutehajiacuteciacute chladivo Alkalickeacute člaacutenky pracujiacute v rozmeziacute teplot 65 až 220degC a při relativniacutem tlaku okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vytvaacuteřet stejnosměrneacute napětiacute mezi 11 až 12 V Zjednodušeneacute scheacutema je na obraacutezku 22

Obr 22 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [18]

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky musiacute pracovat pouze s čistyacutem vodiacutekem bez přiacuteměsi oxidů uhliacuteku Na anodě se odehraacutevajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 + 2K+ + 2OH minus rarr 2K + 2H2O

2Krarr 2K + + 2eminusReakce na katodě jsou tyto

57

1 2O2 + H2Orarr 2OH

2OH + 2eminus rarr 2OH minus

Hydroxidoveacute ionty OH- prochaacutezejiacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem chemickeacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny obiacutehat vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě Sloučeniacutem anodovyacutech a katodovyacutech reakciacute můžeme napsat celkoveacute reakce pro alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

H2 + 2OHminus rarr 2H2 + 2e

minus

1 2O2 + H2O + 2eminus rarr 2OH minus

Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek produkuje vodu jež se odpařuje do proudu vstupujiacuteciacuteho vodiacuteku (v přiacutepadě systeacutemů s nepohyblivyacutem elektrolytem) či je odvaacuteděna z palivoveacuteho člaacutenku s elektrolytem (u systeacutemů s pohyblivyacutem elektrolytem) Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet tato voda z člaacutenku odvaacuteděna plynule Mezi vyacutehody AFC člaacutenků patřiacute niacutezkaacute provozniacute teplota rychleacute startovaciacute časy (při teplotě rovneacute teplotě okoliacute jsou schopny dodat 50 jmenoviteacuteho vyacutekonu) Člaacutenek je vysoce uacutečinnyacute a spotřebovaacutevaacute minimaacutelniacute množstviacute platinoveacuteho katalyzaacutetoru AFC se vyznačuje malou hmotnostiacute a objemem minimaacutelniacute koroziacute a relativně jednoduchyacutem provozem Mezi nevyacutehody patřiacute potřeba čisteacuteho vodiacuteku jako paliva relativně kraacutetkaacute životnost a potřeba složiteacuteho systeacutemu vodniacuteho hospodaacuteřstviacute Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem tvořenyacutem kapalnou kyselinou fosforečnou je schopen veacutest vodiacutekoveacute ionty (protony) H+ od anody směrem ke katodě Kyselina fosforečnaacute se nachaacuteziacute uvnitř krystalickeacute mřiacutežky tvořeneacute karbidem křemiacuteku (některeacute palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyselin použiacutevajiacute jako elektrolyt kyselinu siacuterovou) PAFC člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech od 150 do 205degC a s relativniacutem tlakem okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 11 V U PAFC člaacutenků reaguje vodiacutek s kysliacutekem Reakci na anodě můžeme popsat naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

Reakce na katodě maacute potom tento tvar1 2O2 + 2e

minus + 2H + rarr H2O Proton vodiacuteku prochaacuteziacute elektrolytem od anody směrem ke katodě na zaacutekladě přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny prochaacutezet vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem v opačneacutem směru Sloučeniacutem anodoveacute a katodoveacute reakce ziacuteskaacuteme obecnou reakci pro člaacutenek kterou můžeme popsat2H2 +O2 rarr 2H2O PAFC člaacutenky produkujiacute voda kteraacute se hromadiacute na katodě Abychom zajistili dostatečnou kvalitu reakce musiacute byacutet produktovaacute voda postupně ze člaacutenku odvaacuteděnaPAFC člaacutenky jsou schopny sneacutest vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho v palivu (až 30) a proto PAFC nepožadujiacute čištěniacute vzduchu jako okysličovadla a reformaacutetoru jako paliva Pracujiacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech i tak jsou tyto teploty o něco vyššiacute než u ostatniacutech niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenciacutech proto produkujiacute odpadniacute teplo o vyššiacutem potenciaacutelu ktereacute může byacutet využito v kogeneračniacutech aplikaciacutech

58

PAFC člaacutenky jsou naacutechylneacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu kteryacute nesmiacute přesaacutehnout 2 Daacutele jsou citliveacute na obsah siacutery v palivu maximaacutelniacute obsah siacutery by neměl překročit 50 ppm Tiacutem že se použiacutevaacute korozivniacute tekutyacute elektrolyt vznikajiacute probleacutemy s koroziacute konstrukčniacutech materiaacutelů PAFC jsou velkeacute a těžkeacute a nejsou schopny samostatneacuteho reformingu uhliacutekovyacutech paliv Je potřeba jednotku před provozem zahřaacutet a musiacute byacutet trvale udržovaacuteny na provozniacute teplotě Noveacute formy palivovyacutech člaacutenků s elektrolytem na baacutezi kyselin využiacutevajiacute pevnyacutech kyselinovyacutech elektrolytů Tyto člaacutenky jsou vyrobeny ze sloučenin typu CsHSO4 pracujiacute s teplotami až do 250 degC a s napětiacutem napraacutezdno (otevřeneacuteho obvodu) 111 V DC Daacutele nabiacutezejiacute vyacutehodu provozu bez vlhkosti při zmiacuterněniacute citlivosti na oxid uhelnatyacute a možnosti samostatneacuteho reformingu metanolu Trpiacute však degradaciacute vlivem obsahu siacutery velikou houževnatostiacute (tvaacuternostiacute) při teplotaacutech nad 125 degC a rozpustnostiacute ve vodě Vyacuterobniacute techniky pro praktickeacute využitiacute nebyly ještě vyvinuty

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami PEM FC

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (nebo teacutež člaacutenky s pevnyacutem polymerem) použiacutevajiacute elektrolyt jenž je schopnyacute veacutest protony H+ od anody ke katodě Elektrolyt je vytvořen z pevneacuteho polymerniacuteho filmu kteryacute se sklaacutedaacute z okyseleneacuteho teflonu Fyzicky je každyacute palivovyacute člaacutenek vytvořen z membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA - Membrane Electrode Assembly) jež se sklaacutedaacute z anody katody elektrolytu a katalyzaacutetorů Všechny čaacutesti jsou umiacutestěny mezi dvěma deskami vyrobenyacutemi z grafitu a označovanyacutemi jako bipolaacuterniacute desky (Flow Field Plates desky s kanaacutelky pro rozvod plynů paliva a okysličovadla) Tyto desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo k jednotlivyacutem stranaacutem membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA) Chladivo se použiacutevaacute k regulaci reakčniacute teploty palivoveacuteho člaacutenku Pro snadnějšiacute regulaci jsou mezi každyacute palivovyacute člaacutenek umiacutestěny chladiacuteciacute desky Tyto chladiacuteciacute desky rozvaacutedějiacute chladivo uvnitř palivoveacuteho člaacutenku za uacutečelem absorpce či dodaacutevky požadovaneacuteho tepla Těsněniacute mezi grafitovyacutemi deskami zajišťuje aby se proud okysličovadla paliva a chladiva uvnitř palivoveacuteho člaacutenku nepromiacutechal Elektrickeacute desky (koncoveacute elektrody člaacutenku) jsou umiacutestěny na uacuteplnyacutech konciacutech do seacuterie řazenyacutech bipolaacuterniacutech desek (Flow Field Plates) Tyto desky se spojujiacute se svorkami ze kteryacutech je ziacuteskaacutevaacutena elektrickaacute energie palivoveacuteho člaacutenku (stacku) V přiacutepadě velkyacutech palivovyacutech člaacutenků musiacute byacutet jednotliveacute desky stlačeny a sešroubovaacuteny dohromady pomociacute tyčiacute či spojeny jinyacutem mechanickyacutem způsobem Elektrody zprostředkovaacutevajiacute přechod mezi deskami s rozvodnyacutemi kanaacutelky a elektrolytem Musiacute umožnit průnik vlhkyacutem plynům poskytnout reakčniacute povrch v miacutestě styku s elektrolytem musiacute byacutet vodiveacute pro volneacute elektrony jež proteacutekajiacute od anody ke katodě a musiacute byacutet zkonstruovaacuteny ze vzaacutejemně slučitelnyacutech materiaacutelů Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute papiacuter s uhliacutekovyacutemi vlaacutekny poněvadž je poreacutezniacute hydrofobniacute (nesmaacutečivyacute) vodivyacute a nekorodujiacuteciacute Materiaacutel elektrod je velmi tenkyacute v důsledku maximalizace (vystupňovaacuteniacute) množstviacute dopravovaneacuteho plynu a vody Katalyzaacutetor se přidaacutevaacute na povrch každeacute elektrody na stranu elektrolytu za uacutečelem naacuterůstu rychlosti průběhu chemickeacute reakce Katalyzaacutetor podporuje chemickou reakci aniž by byl během teacuteto reakce spotřebovaacutevaacuten Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute platina neboť vykazuje vysokou elektro-katalytickou činnost chemickou stabilitu a elektrickou vodivost Platina je velmi drahaacute takže jejiacute množstviacute

59

(znaacutemeacute jako katalyzaacutetoroveacute naacuteklady) ovlivňuje cenu palivoveacuteho člaacutenku Konstrukteacuteři palivovyacutech člaacutenků usilujiacute o minimalizaci množstviacute použiteacute platiny za současneacuteho zachovaacuteniacute vyacutekonu palivoveacuteho člaacutenku Elektrolyt tvořiacute tenkaacute membraacutena z plastoveacuteho filmu jejiacutež tloušťka je obvykle od 50 do 175 microm (mikronů) Tyto membraacuteny se sklaacutedajiacute z fluorem dotovanyacutech siřičitanovyacutech kyselin ktereacute stejně jako teflonoveacute fluoro-uhliacutekoveacute polymery majiacute řetězec končiacuteciacute zbytkem kyseliny siřičiteacute (-SO3-2) Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami použiacutevajiacute totiž kyselyacute elektrolyt stejně jako palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute Všechny kyseleacute pevneacute elektrolyty vyžadujiacute přiacutetomnost molekul vody pro vodivost vodiacutekovyacutech iontů (protonů) poněvadž vodiacutekoveacute ionty se pohybujiacute společně s molekulami vody v průběhu vyacuteměnneacute iontoveacute reakce Podiacutel vody k vodiacutekovyacutem iontům u efektivniacute vodivosti je obvykle okolo 31 Z tohoto důvodu musiacute byacutet plyny v kontaktu s membraacutenou nasyceneacute vodou pro lepšiacute funkci palivoveacuteho člaacutenku Na molekulaacuterniacute uacuterovni maacute polymer trubicovitou strukturu ve ktereacute jsou skupiny siřičitanovyacutech kyselin na vnitřniacutem povrchu trubic Tyto skupiny poskytujiacute hydrofilniacute (majiacute přiacutechylnost k vodě lehce smaacutečitelneacute) potrubiacute pro vedeniacute vody Vnějšiacute čaacutesti trubic jsou z hydrofobniacuteho fluorovaneacuteho materiaacutelu Trubkoviteacute struktury se scvrkaacutevajiacute a přeskupujiacute s poklesy obsahu vody Při stlačovaacuteniacute (zužovaacuteniacute) těchto trubek během dehydratace rapidně klesaacute vodivost což vede k naacuterůstu odporu kontaktu mezi membraacutenou a elektrodou To může veacutest až k prasklinaacutem a diacuteraacutem v membraacuteně Všechny elektrolyty musiacute vykazovat zaacutekladniacute vlastnosti jimiž jsou vodič protonů elektronovyacute izolant (nejsou schopny veacutest elektrony) a separaacutetor plynů Vyacuterobci se takeacute snažiacute produkovat membraacuteny ktereacute majiacute odpoviacutedajiacuteciacute mechanickou pevnost rozměrovou staacutelost (odolnost vůči vybouleniacute) vysokou iontovou vodivost niacutezkou atomovou hmotnost (vaacuteha polymeru vztaženaacute k množstviacute kyselyacutech zbytků) a jsou snadno zhotovitelneacute Do jisteacute miacutery je možneacute mechanickou a rozměrovou staacutelost polymeru zajistit jeho včleněniacutem do membraacutenoveacuteho uskupeniacute jež poskytne podpůrnou strukturu

Obr 23 PEM člaacutenek firmy Horizon zdroj [19]

Bipolaacuterniacute desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo na obou vnějšiacutech stranaacutech membraacutenoveacuteho uskupeniacute Každaacute z těchto desek obsahuje kanaacutelky serpentinoviteacuteho tvaru ktereacute maximalizujiacute kontakt plynu s membraacutenovyacutem uspořaacutedaacuteniacutem Specifickyacute tvar kanaacutelků pro plyn je kritickyacute pro homogenniacute vyacuterobu elektrickeacute energie staacutelyacute vyacutekon člaacutenku a spraacutevnou funkci vodniacuteho hospodaacuteřstviacute člaacutenku Tvary bipolaacuterniacutech desek jsou vyraacuteběny v zaacutevislosti na použitiacute palivovyacutech člaacutenků Každaacute deska musiacute byacutet elektricky

60

vodivaacute Proud vznikajiacuteciacute během elektrochemickeacute reakce může teacuteci z jednoho člaacutenku do druheacuteho až k postranniacutem deskaacutem ze kteryacutech je elektrickaacute energie odebiacuteraacutena do vnějšiacuteho elektrickeacuteho obvodu Desky se obvykle vyraacutebějiacute z grafitu (uhliacuteku) přičemž kanaacutelky jsou vyrobeny technologiiacute obraacuteběniacute nebo lisovaacuteniacute Grafit se upřednostňuje jako materiaacutel pro svou vynikajiacuteciacute vodivost a relativně niacutezkeacute naacuteklady Je potřeba miacutet na paměti zvlhčovaacuteniacute reakčniacutech plynů v palivovyacutech člaacutenciacutech Bez zvlhčeniacute se nedosaacutehne požadovanaacute iontovaacute vodivost a může dojiacutet ke zničeniacute palivoveacuteho člaacutenku Množstviacute vody kteryacute je schopen plyn pojmout je zaacutevisleacute na teplotě při zvlhčovaacuteniacute Ciacutelem zvlhčovaacuteniacute je nasytit reakčniacute plyny co největšiacutem množstviacutem vodniacutech par Plyny jsou zvlhčovaacuteny při provozniacute teplotě palivoveacuteho člaacutenku Při zvlhčovaacuteniacute za vyššiacutech teplot může čaacutest vodniacutech par v palivoveacutem člaacutenku kondenzovat Vnitřniacute (interniacute) zvlhčovače se sklaacutedajiacute z přiacutedavnyacutech seacuteriiacutech grafitovyacutech desek začleněnyacutech do palivoveacuteho člaacutenku Tiacutemto dochaacuteziacute k rozděleniacute bloku palivoveacuteho člaacutenku na aktivniacute čaacutest kteraacute obsahuje palivoveacute člaacutenky a neaktivniacute čaacutest jež obsahuje desky zvlhčovače Desky zvlhčovače jsou obdobneacute bipolaacuterniacutem deskaacutem a využiacutevajiacute se k rozvodu plynu a vody po hydrofilniacute membraacuteně Voda se přemiacutesťuje přes membraacutenu a sytiacute omyacutevajiacuteciacute plyn Membraacuteny tohoto typu jsou již komerčně dostupneacute Vnitřniacute zvlhčovače odebiacuterajiacute vodu přiacutemo z chladiacuteciacuteho okruhu (z proudu chladiacuteciacuteho meacutedia) a vyuacutesťujiacute v jednoduchyacute integrovanyacute systeacutem s dobře propojenyacutemi teplotniacutemi charakteristikami Takoveacute uspořaacutedaacuteniacute předem vylučuje využitiacute jineacuteho chladiacuteciacuteho meacutedia než čisteacute vody Čistaacute voda naviacutec zhoršuje probleacutemy při startu palivoveacuteho člaacutenku neboť při niacutezkyacutech teplotaacutech může dojiacutet k jejiacutemu zamrznutiacute Kromě toho vede zakomponovaacuteniacute zvlhčovače do palivoveacuteho člaacutenku k naacuterůstu rozměrů palivoveacuteho člaacutenku a komplikuje jeho opravy neboť obě čaacutesti musiacute byacutet opravovaacuteny současně Vnějšiacute zvlhčovače se nejčastěji navrhujiacute jako membraacutenoveacute či kontaktniacute Membraacutenoveacute jsou založeny na obdobneacutem principu jako vnitřniacute zvlhčovače avšak jsou umiacutestěny odděleně Kontaktniacute zvlhčovače využiacutevajiacute principu rozprašovaacuteniacute zvlhčovaciacute vody na horkyacute povrch či do komory s velkou povrchovou plochou kterou proteacutekaacute jeden z reagujiacuteciacutech plynů Voda se potom odpařuje přiacutemo do plynu a způsobuje jeho nasyceniacuteVnějšiacute zvlhčovače mohou odebiacuterat vodu z chladiacuteciacuteho okruhu nebo mohou byacutet vybaveny samostatnyacutem vodniacutem okruhem Vyacutehody a nevyacutehody pro přiacutepad odběru vody z okruhu chladiacuteciacuteho meacutedia jsou stejneacute jako u vnitřniacutech zvlhčovačů V přiacutepadě zvlhčovače se samostatnyacutem vodniacutem okruhem může byacutet jako chladivo použito meacutedium s vyššiacutemi niacutezkoteplotniacutemi charakteristikami než maacute voda čiacutemž se však stane vzaacutejemnaacute vazba mezi teplotou zvlhčovače a palivoveacuteho člaacutenku daleko komplikovanějšiacute Bez ohledu na zdroj vody vede využiacutevaacuteniacute vnějšiacuteho zvlhčovače k nutnosti použitiacute samostatnyacutech součaacutestiacute ktereacute jsou pravděpodobně rozměrnějšiacute a takeacute mohutnějšiacute zvlaacuteště v přiacutepadě kontaktniacuteho zvlhčovače PEM člaacutenky pracujiacute s teplotami 70 až 90 degC a relativniacutem tlakem 1 až 2 bary Každyacute člaacutenek je schopnyacute generovat napětiacute okolo 11 V

61

Obr 24 Scheacutema PEM člaacutenku [18] V palivovyacutech člaacutenciacutech typu PEM spolu reagujiacute vodiacutek a kysliacutek Reakce na anodě a anodě probiacutehajiacute naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

1 2O2 + 2eminus + 2H + rarr H2O

Proton H+ prochaacuteziacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem vzaacutejemneacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou využity k oběhu od anody ke katodě přes vnějšiacute elektrickyacute obvod Sloučeniacutem reakciacute na anodě a katodě ziacuteskameacute celkovou reakci pro PEM člaacutenek

H2 +1 2O2 rarr H2O PEM člaacutenky dobře snaacutešiacute vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho jak v palivu tak okysličovadlu proto mohou PEM člaacutenky pracovat se znečištěnyacutem vzduchem jako okysličovadlem a reformaacutetorem jako palivem Tyto člaacutenky pracujiacute s niacutezkyacutemi teplotami což zjednodušuje požadavky na použiteacute materiaacutely umožňuje rychlyacute start a zvyšuje bezpečnost Je použit pevnyacute suchyacute elektrolyt to eliminuje naacuteroky na manipulaci s tekutinami snižuje pohyb elektrolytu a probleacutemy spojeneacute s jeho doplňovaacuteniacutem Elektrolyt neniacute korozivniacute tiacutem samozřejmě klesajiacute probleacutemy s koroziacute materiaacutelů PEM člaacutenky majiacute vysokeacute člaacutenkoveacute napětiacute vysokou proudovou a energetickou hustotu Pracovniacute tlaky jsou relativně niacutezkeacute a člaacutenek je schopen reagovat na proměnnost tlaku bez většiacutech probleacutemů Tvarově jsou PEM člaacutenky jednoducheacute kompaktniacute a mechanicky odolneacute PEM člaacutenky jsou citliveacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu (maximum je 50 ppm) jsou schopneacute sneacutest pouze několik ppm sloučeniny siacutery PEM člaacutenky požadujiacute zvlhčovaacuteniacute reakčniacuteho plynu zvlhčovaacuteniacute je energeticky naacuteročneacute a způsobuje naacuterůst rozměru celeacuteho systeacutemu Použitiacute vody pro zvlhčovaacuteniacute paliva limituje provozniacute teplotu palivoveacuteho člaacutenku na hodnotu nižšiacute než je teplota bodu varu vody čiacutemž se redukuje potenciaacutel využitelnyacute v kogeneračniacutech aplikaciacutech PEM člaacutenky použiacutevajiacute draheacute platinoveacute katalyzaacutetory a draheacute membraacuteny se kteryacutemi se obtiacutežně pracuje

62

46 Systeacutem palivovyacutech člaacutenků

Blok palivoveacuteho člaacutenků je jednotka pro přeměnu energie v systeacutemu palivoveacuteho člaacutenku Zdroj se sklaacutedaacute z množstviacute subsysteacutemů pro řiacutezeniacute a regulaci provozu palivoveacuteho člaacutenku Pomocneacute systeacutemy jsou požadovaacuteny pro systeacutem chlazeniacute člaacutenku dopravu a zvlhčovaacuteniacute reaktantů přenos elektrickeacuteho vyacutekonu člaacutenku monitorovaacuteniacute a řiacutezeniacute provozu popřiacutepadě uskladněniacute paliva a okysličovadla Systeacutemy palivovyacutech člaacutenků majiacute vyššiacute tepelneacute uacutečinnosti zvlaacuteště ty s malyacutemi rozměry či středniacutem zatiacuteženiacutem Praacutevě uacutečinnostniacute charakteristika poskytuje hlavniacute impuls pro současnyacute vyacutevoj palivovyacutech člaacutenků Zdroje s palivovyacutemi člaacutenky jsou schopneacute provozu s reformovanyacutemi fosilniacutemi palivy jakyacutem je metanol či zemniacute plyn Zdokonalenaacute tepelnaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku snižuje objem potřebneacuteho paliva a tiacutem zajišťuje i sniacuteženiacute znečišťovaacuteniacute životniacuteho prostřediacute Konfigurace provozniacute charakteristiky a celkovaacute systeacutemovaacute uacutečinnost zdrojů s palivovyacutemi člaacutenky se určuje předevšiacutem vyacuteběrem vhodneacuteho paliva a okysličovadla Nejefektivnějšiacute konfigurace zdrojů je založena na čistyacutech reaktantech - vodiacuteku a kysliacuteku Avšak pro většinu aplikaciacute je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku a kysliacuteku nepraktickeacute a proto se hledajiacute různeacute alternativy Napřiacuteklad vzduch se obvykle u systeacutemů s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM využiacutevaacute jako okysličovadlo pokud je to možneacute Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je sniacutežena v porovnaacuteniacute s provozem s čistyacutem kysliacutekem a znevyacutehodněniacute je ještě umocněno potřebou stlačovaacuteniacute vzduchu Tato znevyacutehodněniacute jsou takeacute většiacute než kompenzace provedenaacute přemiacutestěniacutem uskladněniacute okysličovadla ven ze zdroje Pro určiteacute aplikace je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku nepraktickeacute v důsledku jeho niacutezkeacute uskladňovaciacute hustoty a nedostatečneacute infrastruktury Tekutaacute paliva jako je metanol nafta a petrolej mohou byacutet reformovaacuteny na plyny bohateacute na vodiacutek ktereacute jsou využity pro provoz palivoveacuteho člaacutenku Zemniacute plyn pokud je dostupnyacute může byacutet takeacute využit v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků Reforming však snižuje celkovou uacutečinnost systeacutemu a zapřiacutečiňuje i naacuterůst rozměrů zdroje

461 Systeacutem vodiacutek vzduch

Suchozemskeacute systeacutemy s palivovyacutemi člaacutenky použiacutevajiacute obvykle jako okysličovadlo stlačenyacute vzduch Jako palivo může byacutet použita jakyacutekoliv z vyacuteše zmiňovanyacutech laacutetek avšak čistyacute vodiacutek je nejjednoduššiacute a nejuacutečinnějšiacute pro tyto podmiacutenky Vodiacutek jako palivo maacute relativně niacutezkou objemovou a hmotnostniacute hustotou uskladněniacute energie ve srovnaacuteniacute s tekutyacutemi palivy jež jsou v současnosti využiacutevaacuteny Kromě toho neniacute zde vybudovaacutena dostatečnaacute infrastruktura pro vstup vodiacuteku na světovyacute trh s energiemi A upřiacutemně v současneacute době relativniacuteho dostatku tekutyacutech paliv potřeba tuto infrastrukturu neniacute přiacuteliš velikaacute Zjednodušeneacute scheacutema zdroje na baacutezi palivovyacutech člaacutenků typu PEM použiacutevajiacuteciacute vodiacutek a vzduch je na obraacutezku 25 Vodiacutek je dopravovaacuten ze zaacutesobniacuteků Vodiacutek je zvlhčen a dodaacutevaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Plynovyacute kompresor tlakuje vodiacutek kteryacute z člaacutenku odchaacuteziacute (poměrnyacute obsah vodiacuteku je přibližně 15) jako přebytek paliva a vraciacute ho zpět do vstupniacute čaacutesti okruhu dodaacutevky paliva Čistota vodiacuteku je jedniacutem z nejdůležitějšiacutech požadavků z toho důvodu musiacute byacutet systeacutem velmi dobře uzavřen V systeacutemu anody je instalovaacuten odvzdušňovaciacute ventil kteryacute sloužiacute k periodickeacutemu odvodu nečistot ktereacute se nachaacutezejiacute ve vodiacutekoveacutem zaacutesobniacuteku Okolniacute vzduch je filtrovaacuten stlačen zvlhčen a dodaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Kondenzaacutetor odvaacutediacute produktovou vodu z vyacutestupu vzduchu rekuperačniacute tepelnyacute

63

vyacuteměniacutek ohřiacutevaacute proud vstupniacuteho vzduchu Popsanyacute systeacutem pracuje obvykle s tlakem okolo 2 barů Uzavřenaacute smyčka chladiacuteciacuteho okruhu je zaměstnaacutevaacutena udržovaacuteniacutem provozniacute teploty člaacutenků okolo 80 degC Kondenzaacutetor produktoveacute vody a zvlhčovač reaktantů se začleňuje do chladiacuteciacuteho systeacutemu V systeacutemu chladiacuteciacute vody je daacutele instalovaacuten deionizačniacute filtr z důvodu udrženiacute hladiny čistoty vody Člaacutenek je dokonale izolovaacuten aby se předešlo průsakům vody ven z člaacutenku a kontaminaci membraacuteny prostřednictviacutem nechtěnyacutech iontů Na elektrickeacutem vyacutestupu palivoveacuteho člaacutenku je neregulovaneacute stejnosměrneacute napětiacute Testovaacuteniacute zaacutetěže by se mělo provaacutedět pravidelně aby byly zajištěny dobreacute elektrickeacute podmiacutenky pro předpoklaacutedanou zaacutetěž

Obr 25 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a vzduchem [8]

462Systeacutem vodiacutek kysliacutek

V aplikaciacutech kde neniacute dostupnyacute vzduch jako je vesmiacuter nebo podmořskeacute prostřediacute může byacutet použit čistyacute vodiacutek kysliacutek jako okysličovadlo Kysliacutek je uskladněn jako stlačenyacute plyn či kryogenniacute tekutina Kysliacutek zabiacuteraacute určityacute objem a hmotnost celkoveacuteho energetickeacuteho systeacutemu Palivoveacute člaacutenky potom vykazujiacute většiacute vyacutekon většiacute napětiacute člaacutenku a celkovou uacutečinnost Odstraněniacute zařiacutezeniacute ke stlačovaacuteniacute vzduchu dochaacuteziacute v systeacutemu k poklesu hlučnosti a parazitickyacutech ztraacutet Obraacutezek 26 znaacutezorňuje typickyacute zdroj s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s čistyacutem vodiacutekem a kysliacutekem Je to v podstatě stejnyacute systeacutem jako v přiacutepadě systeacutemu se vzduchem Toky obou reaktantů jsou cirkulovaacuteny skrz palivovyacute člaacutenek pomociacute kompresorů se opětovně natlakujiacute na provozniacute tlak V přiacutepadě dostupnosti vhodnyacutech dopravniacutech tlaků z uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků reaktantů mohou byacutet kompresory nahrazeny čerpadly čiacutemž dojde k eliminaci parazitniacutech ztraacutet spojenyacutech s cirkulaciacute plynu Systeacutemy těchto palivovyacutech člaacutenků jsou obvykle konstruovaacuteny pro provoz

64

v uzavřeneacutem prostřediacute a mohou byacutet provozovaacuteny jako samostatneacute uzavřeneacute systeacutemy V ideaacutelniacutem přiacutepadě je jedinyacutem hmotnyacutem produktem voda Nečistoty ve vstupniacutem vodiacuteku a kysliacuteku postupně zvyšujiacute svou koncentraci v systeacutemu proto je nezbytneacute pravidelneacute čištěniacute Inertniacute čaacutesti paliva jsou vstřebaacutevaacuteny a odvaacuteděny prostřednictviacutem produktoveacute vody palivoveacuteho člaacutenku Potřeba přiacutedavneacuteho čištěniacute je určena požadavkem čistoty u zařiacutezeniacute na uskladněniacute reaktantů životnostiacute zdroje a provozniacutemi podmiacutenkami systeacutemu

Obr 26 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a kysliacutekem [8]

65

5 Instalace ve světě

V současnosti se spojeniacute větrneacute energie a vyacuteroby vodiacuteku použiacutevaacute velmi maacutelo Tento systeacutem maacute ovšem podle mnoha zdrojů obrovskyacute růstovyacute potenciaacutel Nabiacuteziacute jednu z alternativ pro teacuteměř 16 miliardy lidiacute na světě kteřiacute nemajiacute přiacutestup k elektrickeacute energii Trhy pro ktereacute je tato technologie zajiacutemaveacute již dnes jsou izolovaneacute oblasti vyspělyacutech staacutetů Tyto trhy použiacutevajiacute jako hlavniacute zdroj elektrickeacute energie diesel agregaacutety jsou tudiacutež vysoce zaacutevisleacute na dodaacutevkaacutech ropy Vodniacute elektrolyacuteza je použitelnaacute ve spojeniacute s fotovoltaickou a větrnou energiiacute Existuje dobraacute shoda mezi polarizačniacutemi křivkami obnovitelnyacutech zdrojů a elektrolyzeacuterů a mohou byacutet spojeny bez elektronickeacuteho sledovaacuteniacute vyacutekonovyacutech charakteristik při relativně vysokeacute uacutečinnosti Projekty využiacutevajiacuteciacute spojeniacute větrneacute energie již existujiacute Jeden z pilotniacutech projektů je umiacutestěn na ostrově Unst v severniacute čaacutesti Velkeacute Britaacutenie Ciacutelem tohoto projektu je demonstrovat jak větrnaacute energie spojenaacute s využiacutevaacuteniacutem vodiacuteku je schopna pokryacutet energetickeacute potřeby pěti obchodniacutech jednotek v odlehleacute oblasti Větrnaacute energie na Shetlandech nabiacuteziacute velmi dobreacute možnosti pro jejiacute využitiacute nevyacutehodou větrnyacutech podmiacutenek na tomto ostrově je jejich nepředviacutedatelnaacute povaha Pro zajištěniacute stabilniacuteho a spolehliveacuteho dodaacutevaacuteniacute energie je potřeba zajistit dobreacute řiacutezeniacute toku teacuteto energie a skladovaacuteniacute Elektrickaacute siacuteť je na ostrově ve velmi špatneacutem stavu a neumožňuje připojeniacute dalšiacuteho pevneacute připojeniacute z obnovitelnyacutech zdrojů Každyacute novyacute systeacutem musiacute byacutet připojen nezaacutevisle na siacuteti nebo miacutet zajištěn dostatečnou kapacitu pro uskladněniacute energie z těchto zdrojů Na ostrově jsou umiacutestěny 2 větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 15 kW V čase niacutezkeacuteho odběru obchodniacutech jednotek nebo naopak při vysokeacute produkci je přebytek energie použit v elektrolyzeacuteru kteryacute potřebuje přibližně 2-7 kW denniacute produkce vodiacuteku dosahuje přibližně 2 kg vodiacuteku Vodiacutek je uložen ve vysokotlakyacutech naacutedobaacutech a daacutele použiacutevaacuten jako alternativa fosilniacutech paliv Systeacutem je vybaven zaacuteložniacutem zdrojem obsahuje 5 kW palivoveacute člaacutenky a měnič kteryacute převaacutediacute stejnosměrnyacute proud z elektrolyzeacuteru na proud střiacutedavyacute

Obr 27 Scheacutema systeacutemu instalovaneacuteho v Unstu

66

Prvniacutem miacutestem kde došlo v roce 2004 k instalaci vyacuteznamnějšiacuteho autonomniacuteho systeacutemu využiacutevajiacuteciacuteho větrneacute elektraacuterny pro produkci vodiacuteku a jeho naacutesledneacutemu použitiacute pro vyacuterobu elektrickeacute energie je norskyacute ostrov Utsira V pilotniacutem projektu bylo vybraacuteno 10 domaacutecnostiacute do kteryacutech se dodaacutevaacute elektrickaacute energie vyacutehradně z větrneacute energie Ve větrneacutem počasiacute větrneacute elektraacuterny dodaacutevajiacute elektřinu přiacutemo Když produkce elektřiny přesaacutehne aktuaacutelniacute požadavky domaacutecnostiacute je přebytečnaacute elektřina použita pro produkci vodiacuteku v elektrolyzeacuterech Vodiacutek je daacutele stlačen a uložen do tlakovyacutech naacutedob V přiacutepadě že je viacutetr přiacuteliš slabyacute nebo naopak silnyacute a větrneacute elektraacuterna neniacute schopna dodaacutevat elektrickou energii palivoveacute člaacutenky začnou spotřebovaacutevat uskladněnyacute vodiacutek a dodaacutevat elektrickou energii do domaacutecnostiacute Tento systeacutem je schopen dodaacutevat elektrickou energii domaacutecnostem až po dobu 3 dnů v přiacutepadě nedostupnosti větrneacute energie Utsira je velmi větrnyacutem ostrovem kteryacute se jevil jako ideaacutelniacute miacutesto pro pilotniacute projekt tohoto typu Na ostrově byly instalovaacuteny dvě turbiacuteny Enercon E40 každaacute s kapacitou 600 kW Jedna z turbiacuten produkuje elektřinu přiacutemo do siacutetě zatiacutemco druhaacute je připojena do samostatneacuteho systeacutemu a vyacutekon je sniacutežen na 150 kW aby leacutepe odpoviacutedala poptaacutevce Pro stabilizaci nestabilniacute obnovitelneacute energie se použiacutevaacute setrvačniacutek s kapacitou 5 kWh a 100 kVA hlavniacute synchronniacute motor ktereacute vyrovnaacutevajiacute a ovlaacutedajiacute napětiacute a frekvenci Přebytečnaacute energie je uklaacutedaacutena pomociacute elektrolyzeacuteru firmy Hydrogen Technologies s maximaacutelniacutem zatiacuteženiacutem 48 kW 5 kW kompresoru Hofer a tlakovyacutech naacutedob o objemu 2400 Nm3 při tlaku 200 bar Při nedostatku energie z větru se tato potřebnaacute energie dodaacutevaacute pomociacute 5 IRD palivovyacutech člaacutenků o celkoveacutem vyacutekonu 55 kW

Obr 28 Scheacutema projektu v Utsiře

Projekt byl v provozu nepřetržitě po dobu 4 let viacutece než 50 času byly pro dodaacutevaacuteniacute energie použiacutevaacuteny palivoveacute člaacutenky Kvalita dodaacutevky elektrickeacute energie byla dobraacute nebyly hlaacutešeny žaacutedneacute stiacutežnosti I přes uacutespěšnou demonstraci kvality projektu byly odhaleny vyacutezvy ktereacute je potřeba překonat pro zajištěniacute uacutespěchu teacuteto technologie 20 Utilizace větrneacute energie odhalila potřebu pro vyacutevoj uacutečinnějšiacutech elektrolyzeacuterů stejně tak jako zlepšeniacute uacutečinnosti konverze vodiacuteku na elektřinu Palivoveacute člaacutenky v průběhu provozu trpěly určityacutemi probleacutemy jako byl uacutenik chladiciacute kapaliny ze člaacutenku Palivoveacute člaacutenky trpěly takeacute rapidniacute degradaciacute vydržely sotva 100 hodin provozu Tyto probleacutemy spojeneacute s niacutezkou uacutečinnostiacute konverze vodiacuteku zvyacutešili

67

pravděpodobnost že vodiacutek během klidneacuteho větru může dojiacutet Cena a spolehlivost palivovyacutech člaacutenků se musiacute vylepšit aby byl projekt tohoto typu komerčně uacutespěšnyacute Bylo takeacute doporučeno aby budouciacute projekty zahrnovaly viacutece obnovitelnyacutech zdrojů energie Uacutespěch projektu na ostrově Utsira demonstruje uskutečnitelnost kombinace obnovitelneacuteho zdroje energie a vodiacuteku v odlehlyacutech lokalitaacutech a noveacute možnosti použitiacute elektrolyzeacuterů v budouciacutech energetickyacutech systeacutemech Ekonomicky bude tento projekt daacutevat smysl pouze při dalšiacutem vyacutevoji součaacutestiacute systeacutemu je předpoklad že by tato podmiacutenka mohla byacutet splněna za 5 až 10 let

Obr 29 Projekt kombinujiacuteciacute větrnou energii a vodiacutek na ostrově Utsira [20]

68

6Přiacutepadovaacute studie

61Vyacuteběr lokace

Souhrnnaacute dlouhodobaacute data o větru v jedneacute lokaci je velmi složiteacute ziacuteskat Lokace pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny se vybiacuteraacute podle podrobneacute lokaacutelniacute větrneacute mapy jejiacutemž autorem je v Českeacute republice ČHMUacute Naacutesleduje faacuteze měřeniacute rychlosti větru přiacutemo v miacutestě potenciaacutelniacuteho umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Pravidelneacute měřeniacute směru a siacutely větru provaacutediacute ČHMUacute na svyacutech meteorologickyacutech staniciacutech Profesionaacutelniacutech stanic existuje 38 6 stanic spravuje armaacuteda a dalšiacutech 179 je stanic je dobrovolnickyacutech Vzhledem k uacuteplnosti dat jsem se v praacuteci rozhodl použiacutet data z meteorologickeacute stanice na letišti v Mošnově Stanice je primaacuterně určena pro informovaacuteniacute leteckeacuteho personaacutelu o počasiacute v bliacutezkosti letiště Diacuteky vstřiacutecnosti miacutestniacutech meteorologů jsem ziacuteskal data o rychlosti větru v roce 2006 Stanice je umiacutestěna přiacutemo na letištniacute ploše ve vyacutešce 3 m Samotneacute letiště Mošnov ležiacute v severovyacutechodniacute čaacutesti Českeacute republiky 20 km od města Ostravy Data

jsou umiacutestěna v souboru programu Excel jako přiacuteloha 1 Měřeniacute je provaacuteděno nepřetržitě a je vypočiacutetaacutevaacuten 15 sekundovyacute průměr kteryacute sloužiacute jako informace pro piloty Statisticky se zaznamenaacutevajiacute 3 měřeniacute denně Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny jsou potřebneacute dvě důležiteacute informace a to průměrnaacute rychlost větru vstr a standardniacute odchylka σw Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov vstr= 3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1

62 Větrnaacute turbiacutena

Pro tuto praacuteci bylo vybraacuteno jako vhodneacute řešeniacute použitiacute dvou stejnyacutech relativně menšiacutech větrnyacutech turbiacuten firmy Enercon Jmenovityacute vyacutekon turbiacuteny je 330 kW Pro uchyceniacute trojlisteacuteho rotoru o průměru 33 m je použit 50 m ocelovyacute stožaacuter Elektraacuterna je bezpřevodovkovaacute s proměnlivyacutemi otaacutečkami rotoru ktereacute se mohou pohybovat v rozmeziacute 15-45 otmin Hlavniacute ložiska jsou jednořadaacute kuželiacutekovaacute Enercon dodaacutevaacute vlastniacute generaacutetor Jednaacute se o prstencovyacute generaacutetor kteryacute je přiacutemo pohaněnyacutesynchronniacute s variabilniacute frekvenciacute Elektraacuterna je daacutele vybavena brzdou rotoru aretaciacute rotoru a třemi soběstačnyacutemi systeacutemy nastavovaacuteniacute listů s nouzovyacutem zdrojem Startovaciacute rychlost je 25 ms-1 jmenovitaacute rychlost 12 ms-1 a odpojovaciacute rychlost je 12 ms-1 Tabulka 7 uvaacutediacute hodnoty jmenoviteacuteho vyacutekonu elektraacuterny při danyacutech rychlostech větru

Rychlost větru [ms]

Vyacutekon [kW]

Kapacitniacute faktor [-]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 5 137 30 55 92 138 196 250 293 320 335 335 335 335

0 035 040 045 047 050 05 05 047 041 035 028 023 018 015

Tab 7 Vyacutekonoveacute charakteristiky turbiacuteny E33 [21]

69

Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny se potom určiacute pomociacute vyacutepočtu v programu Mathcad tento vyacutepočet je součaacutestiacute přiacutelohy 2 Pro určeniacute vyacutekonoveacute křivky použijeme tabulku 7 zobrazujiacuteciacute rychlost větru a jemu odpoviacutedajiacuteciacute vyacutekon Data proložiacuteme křivkou spline kteraacute je aproximaciacute tabulkovyacutech hodnot Použijeme funkci cspline kteraacute je v programu Mathcad definovaacutena Vyacuteslednaacute křivka je potom zobrazena na obraacutezku 30 Křivka je určena pro teplotu t=15degC a nadmořskou vyacutešku h=0 m

Obr 30 Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny E33

63 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov

Celyacute vyacutepočet je umiacutestěn v přiacuteloze 2 Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr= 3596 ms-1 standardniacute odchylky σw=254 ms-1 a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 1459

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 3969

Spektrum rozloženiacute hustoty rychlostiacute větru v daneacute lokalitě se popisuje pomociacute Weibullovy pravděpodobnostniacute funkce grafickeacute zobrazeniacute je na obraacutezku 31

70

f x( ) = kcsdot xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdotexp minus xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

Obr 31 Weibullova funkce pro letiště Mošnov

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě mošnovskeacuteho letiště je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 3 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 015 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 682m sdot sminus1

Rozdiacutel v průměrnyacutech rychlostech je převaacutežně způsoben působeniacutem mezniacute vrstvy u povrchu Země Hustota vzduchu v miacutestě instalace značně ovlivňuje vyacuteslednyacute vyacutekon větrneacute elektraacuterny proto je potřeba ji v celkoveacutem vyacutepočtu zohlednit Hustota vzduchu ρ [kgm3] je zaacutevislaacute předevšiacutem na teplotě t [degC] a nadmořskeacute vyacutešce Z [m] dle vztahu

ρ = 33505t + 2731

sdotexp minus981sdotZ287 sdot(t + 2731)

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

71

Dalšiacute veličinou kterou je před samotnyacutem vyacutepočtem určit je kapacitniacute faktor CFA [-] Kapacitniacute faktor je jinyacutem naacutezvem součinitel využitiacute a určuje zastoupeniacute času při ktereacutem jsou schopny větrneacute elektraacuterny byacuteti v provozu Tento součinitel zaacuteviacutesiacute na typu větrneacute elektraacuterny daacutele pak na maximaacutelniacute rychlosti větru Uf [ms] minimaacutelniacute rychlosti větru Uc [ms] naacutevrhoveacute rychlosti větru Ur [ms] a Weibullovyacutech faktorech c a k dle naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 029

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Mošnově použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 257 m průměrnaacute teplota t= 65 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=682 ms Pnom se potom rovnaacute 8447 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obraacutezku 32

Obr 32 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro mošnovskou lokalitu Pav= 24 445 W Ročniacute průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 24445 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na letišti v Mošnově je potom Pwf=44691 kW Tato hodnota je na vyacutekon 330kW elektraacuterny velmi niacutezkaacute instalace tedy postraacutedaacute ekonomickyacute smysl a je potřeba určit jineacute umiacutestěniacute instalace Dalšiacutem faktorem znemožňujiacuteciacutem instalaci větrnyacutech elektraacuteren je složitost stavebniacuteho řiacutezeniacute Vzhledem k ochraně letištniacuteho provozu by stavba musela splňovat velmi složitaacute kriteacuteria a byacutet umiacutestěna v dostatečneacute vzdaacutelenosti od letištniacute draacutehy kde už nemusejiacute rychlosti větru odpoviacutedat rychlostem měřenyacutem meteorologickou staniciacute přiacutemo

72

na letišti

64 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce

Obec Noveacute Dvorce na hranici Olomouckeacuteho a Moravskoslezskeacuteho kraje byla vybraacutena jako alternativniacute lokalita splňujiacuteciacute zaacutekladniacute požadavek o průměrneacute ročniacute rychlosti větru V lokalitě Červeneacuteho kopce kteryacute je v bliacutezkosti obce Noveacute Dvorce je umiacutestěno již v současneacute době 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele větrneacuteho parku a to firmy Větrnaacute energie HL sro je v lokalitě Červeneacuteho kopce průměrnaacute rychlost větru vstr= 74 ms-1 standardniacute odchylka σw=35 ms-1 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny v teacuteto lokalitě probiacutehaacute analogicky jako v předešleacute kapitole Prvniacute je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr standardniacute odchylky σw a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu Mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 2225

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 8355

Graf Weibullovy funkce je pro lokalitu Noveacute Dvorce je zobrazen na obraacutezku 32

Obr 32 Weibullova funkce pro lokalitu Noveacute Dvorce

73

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě Novyacutech Dvorců je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 10 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 025 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 10372m sdot sminus1

Kapacitniacute faktor je potom určen podle analogickeacuteho vztahu jako v předešleacute kapitole pro Noveacute Dvorce je kapacitniacute faktor teacuteměř dvojnaacutesobnyacute což znamenaacute zvyacutešeniacute celkoveacuteho vyacutekonu dodaacuteveneacuteho elektraacuternami

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 0474

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Novyacutech Dvorciacutech použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 580 m průměrnaacute teplota t= 73 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=10372 ms Pnom se potom rovnaacute 2467 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obr

Obr 34 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro lokalitu Noveacute Dvorce Pav= 116 845 W Ročniacute

74

průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 116845 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na Červeneacutem kopci je potom Pwf=23369 kW Vypočiacutetanyacute vyacutekon je průměrně dostupnyacute 1500 hodrok jak uvaacutediacute zdroj [2] Celkovaacute elektrickaacute energie vyprodukovanaacute za 1 rok se určiacute dle vztahu

W = PWT sdot1500 = 3505 times105 kWh rok

Takto vysokaacute hodnota je daacutena předevšiacutem vhodnostiacute vybraneacute lokality kapacitniacute faktor CFA se tudiacutež bliacutežiacute nejvyššiacutem hodnotaacutem kteryacutech je elektraacuterna E33 schopna dosaacutehnout a to CFAmax= 05

65 Elektrolyzeacuter

Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutemu rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute Po uvaacuteženiacute předešlyacutech informaciacute byl pro aplikaci vybraacuten vysokotlakyacute elektrolyzeacuter NELP40 firmy Norsk Hydro Elektrolyzeacuter NELP40 maacute vyacutejimečnyacute dynamickyacute rozsah a to mezi 10 až 100 instalovaneacuteho vyacutekonu při zachovaacuteniacute vysokeacute čistoty vodiacuteku Rychlost vyacuteroby vodiacuteku okamžitě reaguje na rychleacute změny přiacutekonu což je ideaacutelniacute vlastnost pro spojeniacute s větrnou energiiacute Elektrolyzeacuter je pod delšiacute dobu schopen byacutet v režimu stand-by což umožňuje okamžiteacute obnoveniacute vyacuteroby vodiacuteku v přiacutepadě dobryacutech větrnyacutech podmiacutenek Tabulka 8 ukazuje provozniacute charakteristiky tohoto elektrolyzeacuteru

Jmenovitaacute Kapacita

Dynamickyacute rozsah kapacity

Vyacutestupniacute tlak

Čistota vodiacuteku

40 Nm3hod (36 kghod)

10 - 100 jmenoviteacute kapacity

16 bar g (232 psi g)

999

75

Naacuteběhovyacute čas ze stand-by do max kapacity

Reakce na dynamickou změnu zatiacuteženiacute

Okolniacute teplota

Kontrolniacute systeacutem

Elektrolyt

Potřebneacute napět

Frekvence zdroje

Spotřeba energie na Nm3 H2

Spotřeba vody na Nm3 H2

Vyacutekon potřebnyacute k maximaacutelniacute produkci

Vodivost vody

Průtok chladiacuteciacute vody

Teplota chladiacuteciacute vody

lt 3 sekundy

lt 1 sekunda

-20degC - +40degC

automatickyacute daacutelkovyacute monitoring a ovlaacutedaacuteniacute

32 vodnyacute roztok KOH

400 V

50 Hz

48 KWh

09 litru

192 kW

lt 5 microScm

15 m3hod při max kapacitě

lt 25degC

Tab 8 Provozniacute charakteristiky NELP40 [5]

Pro vyacutepočet celkoveacuteho množstviacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku danyacutem elektrolyzeacuterem vyjdeme z provozniacutech charakteristik elektrolyzeacuteru a celkoveacute elektrickeacute energie vyprodukovaneacute za 1 rok našimi větrnyacutemi elektraacuternami Vyacutepočet proveden v přiacuteloze 3 Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku VH potřebneacute množstviacute vody VV a hmotnost vyprodukovaneacuteho vodiacuteku mH je potom

VH = 73030Nm3H2 rokmH = 6573kg rokVV = 65730l rok

Pokud chceme vyčiacuteslit cenu produkce 1 kg vodiacuteku musiacuteme v prvniacutem kroku zařadit větrneacute podmiacutenky v našiacute lokalitě zařadit do kategorie klasifikace větrneacute energie podle obraacutezku 33

76

Obr 33 Klasifikace větrneacute energie [22]

Středniacute rychlost větru pro lokalitu Novyacutech Dvorců je vstr=74 ms-1 nicmeacuteně hustota větrneacute energie je odhadem nižšiacute proto naše lokalita spadaacute do kategorie 6 Podle obraacutezku 34 pak můžeme určit cenovyacute interval vyacuteroby 1 kg vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech Dle obraacutezku je nejnižšiacute možnaacute cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku lehce pod 3 dolary neboli 59 Kč

Obr 34 Cena elektrolytickeacute vyacuteroby 1 kg vodiacuteku dle třiacuted větrneacute energie [22]

66 Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta

Vodiacutek neniacute zdrojem ale přenašečem energie Užitiacute vodiacuteku neniacute omezeno pouze na palivoveacute člaacutenky vodiacutek je vyacutehodneacute palivo i pro klasickeacute spalovaciacute (benziacutenoveacute i naftoveacute) motory Užitiacutem vodiacuteku ve spalovaciacutech motorech vznikajiacute NOx i když jako jedineacute polutanty Diacuteky mnohem menšiacutem naacutekladům na uacutepravu spalovaciacutech motorů pro provoz na vodiacutekoveacute palivo v porovnaacuteniacute s palivovyacutemi člaacutenky se jeviacute varianta spalovaacuteniacute vodiacuteku v nich jako přechodně preferovanějšiacute řešeniacute do doby vyacuterazneacuteho sniacuteženiacute naacutekladů na palivoveacute člaacutenky nebo do doby zvyacutešeniacute jejich uacutečinnosti

77

Pro budouciacute hlavniacute vyacuterobu vodiacuteku prostřednictviacutem elektrolyacutezy vody je nutnyacute dalšiacute vyacuteznamnyacute energetickyacute nosič - elektřina Obdobně jako u elektřiny vyacutehody užitiacute vodiacuteku zaacutevisiacute na tom jak je vodiacutek vyraacuteběn Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny např vyraacuteběneacute z uhliacute zvyacutešiacute se sice bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute ale vyacuterazně se zvyacutešiacute emise CO2 Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny z obnovitelnyacutech zdrojů zvyacutešiacute se bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute a sniacutežiacute emise CO2 ale přidaacutevajiacute se dalšiacute vlivy tohoto způsobu vyacuteroby elektřiny (omezenost obnovitelnyacutech zdrojů) Umiacutestěniacute dostatečneacuteho množstviacute paliva ve vozidle je dalšiacute probleacutem kteryacute dnes neniacute uspokojivě vyřešen Hlavniacute vyacutehodou vodiacuteku jako energetickeacuteho nosiče je že nabiacuteziacute cestu k decentralizovaneacutemu energetickeacutemu trhu na baacutezi nefosilniacutech paliv Vodiacutek je možneacute použiacutevat ve vozidle jako palivo bud přiacutemo ve spalovaciacutem motoru nebo jako zdroj elektrickeacute energie v palivoveacutem člaacutenku v elektromobilu Při vyacuterobě vodiacuteku elektrolyacutezou vody použitiacutem elektrickeacute energie vyrobeneacute z obnovitelnyacutech zdrojů je vodiacutek nejčistšiacutem současnyacutem palivem Z hlediska snižovaacuteniacute emisiacute skleniacutekovyacutech plynů je podstatneacute že automobily jezdiacuteciacute na vodiacutek oproti elektromobilům využiacutevajiacuteciacutech elektřinu z fosilniacutech paliv nevytvaacuteřiacute žaacutedneacute emise oxidu uhličiteacuteho Použitiacute vzduchu jako palivoveacute složky při využitiacute niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků nepřinaacutešiacute emise NOx Probleacutemy s bezpečnostiacute a cena vozidel s přiacutemyacutem spalovaacuteniacutem vodiacuteku jsou však hlavniacute důvody proč se současnyacute vyacutevoj využitiacute vodiacuteku v automobilech orientuje spiacuteše na palivoveacute člaacutenky kde se vodiacutek využiacutevaacute na vyacuterobu elektrickeacute energie Nicmeacuteně se zaměřiacuteme na použitiacute vodiacuteku ve spalovaciacutem motoru a to převaacutežně z důvodu možneacuteho rychleacuteho nasazeniacute do provozu jelikož uacuteprava spalovaciacuteho motoru neniacute komplikovanaacute a byla už reaacutelně předvedena Dalšiacutem důvodem je cena automobil vybavenyacute palivovyacutemi člaacutenky o stejneacutem vyacutekonu jako 2 litrovyacute benzinovyacute motor maacute desetinaacutesobnou cenu celkovyacutech naacutekladu na konverzi auta se spalovaciacutem motorem [23] Palivovyacute systeacutem motoru je vybaven elektronickyacutem směšovaciacutem systeacutemem kteryacute určuje směšovaciacute poměr vodiacuteku a vzduchu Spalovaacuteniacute probiacutehaacute s přebytkem vzduchu Přiacutedavnyacute vzduch ve spalovaciacutem prostoru odniacutemaacute teplo a tiacutem klesaacute teplota plamene pod kritickou mez nad niž by se směs mohla sama vzniacutetit Vznikajiacuteciacute oxidy dusiacuteku (NOx) jsou neutralizovaacuteny v redukčniacutem katalyzaacutetoru Bez dalšiacutech přiacutedavnyacutech zařiacutezeniacute pracujiacute vodiacutekoveacute motory prakticky bez emisiacute oproti benzinu jsou všechny emisniacute komponenty sniacuteženy až o 999 [23]

661 Koncept Fordu Focus s vodiacutekovyacutem palivem

Projekt uacutepravy seacuteriově vyraacuteběneacuteho Fordu Focus byl koordinovaacuten daacutenskou nevlaacutedniacute organizaciacute Folkencenter kteraacute byla založena v roce 1983 Hlavniacute naacuteplniacute teacuteto organizace je vyacutevoj testovaacuteniacute a demonstrovaacuteniacute technologiiacute využiacutevajiacuteciacute obnovitelneacute zdroje energie Standardniacute Ford Focus s 2 litrovyacutem benziacutenovyacutem motorem byl konvertovaacuten na použitiacute vodiacuteku jako paliva Vysokotlakaacute naacutedrž na vodiacutek o objemu 90 l byla uložena do zadniacute čaacutesti automobilu Bezpečnostniacute a ovlaacutedaciacute prvky byly speciaacutelně vyvinuty Scheacutema systeacutemu je na obraacutezku 35

78

Obr 35 Scheacutema konceptu vodiacutekoveacuteho Fordu Focus [23]

Motor konceptu je startovaacuten pomociacute benziacutenu a po dostatečneacutem zvyacutešeniacute otaacuteček je automaticky přepnut na vodiacutekoveacute palivo Toto uspořaacutedaacuteniacute umožňuje plynuleacute starty a nabiacuteziacute možnost cestovaacuteniacute na delšiacute trasy za použitiacute konvenčniacutech paliv Modifikace byly provedeny na hlavě vaacutelce Palivovyacute systeacutem vodiacuteku byl nově vyvinut přesneacute elektronickeacute řiacutezeniacute motoru je založeno na rychlosti a zatiacuteženiacute motoru Maximaacutelniacute vyacutekon 46 k dostaneme při 4600 otm což umožňuje vyvinout rychlost až 110 kmh Vyacutekonovaacute křivka motoru je na obraacutezku 36

Obr 36 Porovnaacuteniacute vyacutekonu motoru Fordu Focus při použitiacute vodiacuteku a benziacutenu jako paliva [23]

79

662 Průměrnaacute spotřeba vodiacuteku jako paliva

Pro analyacutezy využitiacute vodiacuteku jako paliva a plaacutenovaacuteniacute spraacutevneacuteho rozvrženiacute čerpaciacutech stanic jsou elektrolytickeacute systeacutemy kategorizovaacuteny do naacutesledujiacuteciacutech kategoriiacute dle [24]

bull Domaacuteciacute velikost poskytne palivo pro 1-5 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 200-1000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho sousedstviacute poskytne palivo pro 5-50 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 1000-10000 kg H2rok

bull Velikost sousedstviacute poskytne palivo pro 50 - 150 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 10000-30000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho předměstiacute což může reprezentovat stojan u staacutevajiacuteciacutech benzinovyacutech pump poskytuje palivo pro 150-500 aut a produkce vodiacuteku dosahuje 30000-100000 kg H2rok

bull Velikost předměstiacute poskytne palivo pro viacutece než 500 automobilů za rok a produkce vodiacuteku bude většiacute než 100000 kg H2rok

Počet aut byl určen vyacutepočtem kteryacute předpoklaacutedaacute spotřebu jednoho auta na 200 kg vodiacuteku za rok Spotřeba 200 kg vodiacuteku předpoklaacutedaacute že auto ujede ročně průměrně 19000 km a průměrnaacute spotřeba bude 104 kg vodiacuteku na 100 km Při použitiacute stejnyacutech předpokladů a a použitiacute množstviacute naacutemi vyrobeneacuteho vodiacuteku a to mH=6573 kg může systeacutem instalovanyacute v Novyacutech Dvorciacutech pokryacutet ročniacute spotřebu až 32 automobilů Při zahrnutiacute informaciacute o naacutekladoveacute ceně na vyacuterobu jednoho 1kg paliva a průměrneacute spotřebě automobilu viz přiacuteloha 3 by cena na ujetiacute jednoho kilometru byla 061 Kč Tato cena nereflektuje daň spotřebniacute ani daň z přidaneacute hodnoty

663 Bezpečnostniacute zaacutesady

Vodiacutek je velmi lehkyacute a hořlavyacute plyn kteryacute ve spojeniacute se vzduchem vytvaacuteřiacute vyacutebušnou směs proto je potřeba dodržovat při konstrukci a provozu systeacutemů využiacutevajiacuteciacutech vodiacutek určiteacute bezpečnostniacute zaacutesady a postupy jako napřiacuteklad

bull Dokonale utěsněneacute trubkoveacute prostupy do zařiacutezeniacute a budovbull Použiacutevat bezpečnaacute zařiacutezeniacute ktereacute neprodukujiacute jiskry (osvětleniacute topeniacute

klimatizace)bull Ověřovaacuteniacute diferenčniacutech tlaků použiacutevaacuteniacute ventilaacutetorůbull Použiacutevaacuteniacute panelů miacuterniacuteciacutech přiacutepadnyacute vyacutebuchbull Testovaacuteniacute vodiacutekoveacuteho potrubiacute na tlakoveacute ztraacutety a uacutenikbull Potrubiacute a tlakoveacute naacutedoby profukovat dusiacutekem před manipulacemi s

armaturami aby jsme minimalizovali pravděpodobnost vytvořeniacute hořlaveacute směsi mezi vodiacutekem a vzduchem

Nouzoveacute vypiacutenače

Pro zajištěniacute rychleacute odstaacutevky vyacuteroby by měly byacutet v miacutestě instalace umiacutestěny nouzoveacute vypiacutenače Spraacutevneacute umiacutestěniacute samozřejmě zaacutevisiacute na konkreacutetniacutem provedeniacute systeacutemu Pro vyacuterobu vodiacuteku pomociacute elektrolyzeacuteru by měly byacutet umiacutestěny řiacutediacuteciacute budově na PLC skřiacuteni dalšiacute vhodneacute miacutesto je mimo hlavniacute vstup do produkčniacute budovy v produkčniacute budově opět umiacutestěniacute v bliacutezkosti PLC skřiacuteně

80

Aktivace nouzoveacuteho vypiacutenače by mělo naacutehle ukončit produkci vodiacuteku nebo odstavit proud přechaacutezejiacuteciacute do elektrolyzeacuteru Aktivace zavře pneumatickyacute ventil tak aby došlo k izolaci vysokotlakeacuteho vodiacuteku uloženeacuteho v zaacutesobniacuteku Naacutemi použityacute alkalickyacute elektrolyzeacuter ukončiacute svou činnost okamžitě po odstaveniacute probiacutehaacute promyacutevaacuteniacute dusiacutekem ktereacute trvaacute 10 až 15 minut

Detekce vodiacuteku

Produkčniacute budova a kompresorovna by měly miacutet vodiacutekoveacute detektory Vodiacutekoveacute detektory začnou vydaacutevat alarm když koncentrace vodiacuteku překročiacute 10 Detektory jsou kontinuaacutelně sledovaacuteny PLC ktereacute v přiacutepadě zvyacutešeniacute koncentrace odstaviacute vyacuterobu vodiacuteku a spustiacute alarm

Ventilace

Odsaacutevaciacute ventilaacutetor instalovaacuten do produkčniacute i kompresoroveacute budovy je v provozu kontinuaacutelně aby se zabraacutenilo nahromaděniacute unikajiacuteciacuteho vodiacuteku Odsaacutevaciacute ventilaacutetor je v provozu pokud probiacutehaacute vyacuteroba vodiacuteku Elektrolyzeacuter i kompresor jsou pozastaveny dokud nebude dosaženo na odsaacutevaciacutem ventilaacutetoru potřebneacute diferenciace tlaku kteryacute indikuje dostatečnyacute průtok vzduchu Tlaky jsou opět monitorovaacuteny PLC ktereacute zastaviacute vyacuterobu v přiacutepadě poklesu rozdiacutelu tlaku

Požaacuterniacute detekce

Protipožaacuterniacute ochrana se obvykle sklaacutedaacute ze dvou požaacuterniacutech hlaacutesičů odolaacutevajiacuteciacutech počasiacute a dvou optoelektronickyacutech detektorů kouře V produkčniacute budově jsou umiacutestěny UVIR detektory a detektory monitorujiacuteciacute tepelnyacute vyacutekon Všechny veškereacute detektory jsou spojeny s PLC ktereacute v přiacutepadě detekce požaacuteru odstaviacute vyacuterobu

81

Zaacutevěr

Praacutece teoreticky nastiňuje možnosti použitiacute hybridniacuteho systeacutemu spojeniacute dvou menšiacutech větrnyacutech elektraacuteren firmy Enercon o jmenoviteacutem vyacutekonu 330 kW a alkalickeacuteho elektrolyzeacuteru NELP40 firmy Norsk Hydro Zaacutekladniacutem krokem vyacutepočtu je nalezeniacute vhodneacute lokality umiacutestěniacute větrnyacutech elektraacuteren Prvotniacute vyacuteběr se provaacutediacute pomociacute větrneacute mapy kterou distribuuje ČHMUacute V našem přiacutepadě byla vybraacutena lokalita letiště v Mošnově Druhyacutem krokem je měřeniacute přiacutemo v miacutestě umiacutestěniacute potenciaacutelniacute větrneacute elektraacuterny Pro tento krok byly využity data dodanaacute miacutestniacute meteorologickou staniciacute Data se statisticky zpracovala a ukaacutezala naacutem zaacutekladniacute vlastnosti větru v mošnovskeacute lokalitě Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov je vstr=3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1 Tyto hodnoty jsou měřeny ve vyacutešce 3 m nad tereacutenem Pomociacute těchto hodnot byly určeny hodnoty tvaroveacuteho Weibull parametru k=1459 a rozměroveacuteho Weibull parametru c=3969 ms-1 Jelikož budou rotory větrneacute elektraacuterny umiacutestěny ve vyacutešce 44 m je potřeba přepočiacutetat průměrnou rychlost větru praacutevě pro 44 m průměrnaacute rychlost větru ve 44 m je potom Ur=682 ms-1 Jedniacutem ze zaacutekladniacutech faktorů ukazujiacuteciacutech kvalitu umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny je tzv kapacitniacute faktor CFA=029 tato hodnota je relativně niacutezkaacute a dalo se tedy předpoklaacutedat že lokalita v Mošnově neniacute ideaacutelniacutem miacutestem pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Domněnka byla potvrzena po dopočiacutetaacuteniacute celkoveacuteho vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren Pwf=44691 kW Tato hodnota je velmi niacutezkaacute pokud vezmeme v potaz celkovyacute nominaacutelniacute vyacutekon obou elektraacuteren kteryacute je 660 kW Podle větrneacute mapy byly vybraacuteny Noveacute Dvorce jako alternativniacute možnost umiacutestěniacute našich elektraacuteren Shodou okolnostiacute toto miacutesto již využiacutevaacute společnost Větrnaacute energie HL sro kteraacute zde umiacutestila 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele byla v miacutestě naměřena průměrnaacute rychlost větru vstr=74 ms=1 a standardniacute odchylka je potom σw=35 ms-1 Tyto hodnoty byly měřeny ve vyacutešce 10 m Vyacutepočet probiacutehal analogicky jako v prvniacutem přiacutepadě Kapacitniacute faktor CFA=0474 Stejně jako v předešleacutem přiacutepadě se dalo tušit že celkovyacute vyacutekon bude vysokyacute maximaacutelniacute kapacitniacute faktor pro větrnou elektraacuternu Enercon E33 je totiž 05 Celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren je v tomto přiacutepadě Pwf=23369 kW což je velmi dobraacute hodnota Předpoklaacutedaacute se že dostupnost tohoto vyacutekonu je 1500 hodin ročně celkovaacute vyrobenaacute elektrickaacute energie W=3505x105 kWhrok Elektrickaacute energie je spotřebovaacutena elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro kteryacute je pomociacute niacute schopen vyrobit mh=6573 kgrok Pro zjištěniacute naacutekladoveacute ceny je prvně potřeba klasifikovat větrneacute podmiacutenky podle zdroje [22] naše lokalita spadaacute do 6 kategorie a cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku je tedy 59 Kč Vodiacutek je daacutele použit jako palivo pro automobily ktereacute použiacutevajiacute konvenčniacute spalovaciacute motory upraveneacute pro spalovaacuteniacute vodiacuteku jako paliva Předpoklaacutedaacuteme že průměrnaacute spotřeba vodiacuteku na jedno auto a rok je 200 kg vodiacuteku Předpoklad zahrnuje ujetiacute 19 000 km za rok a průměrneacute spotřeby 104 kg vodiacuteku na 100 km Produkce vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech by pokryla provoz až 32 automobilů Naacutekladovaacute cena na ujetiacute 1 km by byla 061 Kč naacutekladovaacute cena pro benzinovyacute je průměrně 120 Kč Tyto ceny nereflektujiacute vyacuteši spotřebniacute daně a daně z přidaneacute hodnoty Zejmeacutena u daně z přidaneacute hodnoty se daacute předpoklaacutedat daňoveacute zvyacutehodněniacute pro vodiacutekovyacute pohon jelikož tento způsob vyacuteroby a využitiacute vodiacuteku neuvolňuje žaacutedneacute emise

82

Seznam použiteacute literatury

[1] Lakva P Netradičniacute využitiacute větrneacute energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2009 38 s Vedouciacute bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

[2] Rychetniacutek V Pavelka J Větrneacute motory a elektraacuterny ČVUT Praha 1997

[3] Wind energy [online] [citovaacuteno 2012-10-10] Dostupneacute z lthttpwwwgreenrhinoenergycomrenewablewindgt

[4] Luťcha J Hybridniacute soustava větrneacute elektraacuterny a fotovoltaickyacutech člaacutenků KG Process Innovations Brno 2009

[5] Norwegian Electrolysers [online] [citovaacuteno 2012-04-22] Dostupneacute z lthttpwwwnel-hydrogencomgt

[6] Sherif S A Barbir F Veziroglu T N Wind energy and the hydrogen economy-review of the technology Elsevier 2005

[7] Gupta R Hydrogen fuel production transport and storage San Francisco 2008 ISBN 978-1-4200-4575-8

[8] Sobotka K A wind power fuel cell hybrid system study University of Akureyri 2009

[9] Richard S A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles Universiteacute Laval 1996

[10] Agbossou K Chahine R Hamelin J Renewable energy systems based on hydrogen for remote applications Journal of Power Sources New York 2001

[11] Vijayaraghavan K Trends in biological hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy Rennes 2004

[12] Horaacutek B Koziorek J Kopřiva M Studie pohonu mobilniacuteho prostředku s palivovyacutem člaacutenkem VŠB TU Ostrava 2005

[13] Celik AN On the distributional parameters used in assessment of the suitability of wind speed probability density functions Energy Convers Manag Istanbul 2004 [14] Stolten D Krieg D Weber M An Overview on Water Electrolysis Juelich Research Center Berlin 2010

[15] Bourgeois R Advanced Alkaline Electrolysis GE Global Research Center New York 2006

[16] Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav [online] [citovaacuteno 2013-04-21] Dostupneacute z lthttpwwwchmiczgt

83

Seznam odborneacute literaturySA Sherif F Barbir TN Veziroglu Wind energy and the hydrogen economymdashreview of the technology Elsevier2005Detlef Stolten Dennis Krieg Michael Weber An Overview on Water ElectrolysisInstitute for Fuel Cells Juelich Research Center Germany WICaC 2010Richard Bourgeois PEAdvanced Alkaline ElectrolysisGE Global Research Center 2006

Vedouciacute diplomoveacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

Termiacuten odevzdaacuteniacute diplomoveacute praacutece je stanoven časovyacutem plaacutenem akademickeacuteho roku 20122013

V Brně dne 15112012

LS

_______________________________ _______________________________ prof Ing Petr Stehliacutek CSc prof RNDr Miroslav DoupovecCSc Ředitel uacutestavu dr h c Děkan fakulty

3

Abstrakt

Vyacuteroba vodiacuteku je technicky a ekonomicky vhodnaacute metoda uklaacutedaacuteniacute přebytků energie z obnovitelnyacutech zdrojů energie přestože tato technologie ještě neniacute dostatečně vyspělaacute v porovnaacuteniacute s ostatniacutemi možnostmi využitiacute obnovitelneacute energie V teacuteto praacuteci jsou spojeny dvě větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 330 kW spojeneacute s elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro toto spojeniacute by mělo zajistit lepšiacute využitiacute energie vyrobeneacute větrem Praacutece zkoumaacute dvě možnosti a to využitiacute vodiacuteku pro produkci el energie pomociacute palivovyacutech člaacutenků a využitiacute vodiacuteku jako alternativniacuteho paliva pro auta Tato praacutece představuje všeobecnyacute uacutevod do problematiky systeacutemu větrneacute elektraacuterny spojeneacute s vyacuterobou vodiacuteku Budouciacute studie by měly byacutet viacutece komplexniacute a detailniacute předevšiacutem je potřeba ziacuteskat dlouhodobaacute a přesnaacute data na zaacutekladě kteryacutech se daacute s většiacute přesnostiacute určit možnosti reaacutelneacuteho využitiacute tohoto systeacutemu a ukaacutezat možnosti využitiacute větrneacute energie v kontinuaacutelně se měniacuteciacutech energetickyacutech požadavciacutech lidstva

Kliacutečovaacute slova

vodiacutek větrnaacute energie větrneacute turbiacuteny lokaacutelniacute větrneacute podmiacutenky elektrolyacuteza elektrolyzeacuter uacutečinnost elektrolyacutezy spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku skladovaacuteniacute vodiacuteku hydridy kovů palivoveacute člaacutenky systeacutem palivovyacutech člaacutenků Mošnov Noveacute Dvorce Weibullova funkce kapacitniacute faktor vyacutekonovaacute charakteristika

Abstract

Hydrogen as a form of storage for the excess energy from renewable sources is a technically and economically viable option However the technology is not mature enough to compete with the other renewable energy possibilities In this thesis a study based on coupling two 330 kW wind-turbines with an NELP 40 electrolyzer this connection should improve the utilization of wind power In this thesis are two options of energy utilization The energy produced by the wind-turbine is stored in the form of hydrogen and is then delivered for consumption at variable power through a fuel cell second option is use of produced hydrogen as alternative fuel for cars This study is a general introduction for the wind energy system with hydrogen storage Future studies should be more complex and detailed in order to understand and model the system with greater accuracy and to increase the possibility for the utilization of wind energy to generate hydrogen This would enhance wind power competitiveness and sustain the continuously changing world energy demands

Key words

hydrogen wind energy wind turbines local wind conditions electrolysis electrolyzer efficiency of electrolysis consumption of electrolytic cell hydrogen storage metal hydrides fuel cells system of fuel cells Mošnov Noveacute Dvorce Weibull function capacity factor power curve

4

Bibliografickaacute citace

Lakva P Vyacuteroba vodiacuteku z obnovitelneacuteho zdroje energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2013 85 s Vedouciacute diplomoveacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

5

Čestneacute prohlaacutešeniacute

Prohlašuji že jsem byl seznaacutemen s předpisy pro vypracovaacuteniacute diplomoveacute praacutece a že jsem tuto praacuteci vypracoval samostatně a zaacuteroveň uvedl všechny použiteacute informačniacute zdroje

V Brně dne 20 5 2013 Petr Lakva

6

Poděkovaacuteniacute

Děkuji panu docentu Ing Jaroslavu Jiacutechovi CSc za poskytnuteacute konzultace a odbornou pomoc Daacutele bych chtěl poděkovat panu Ing Josefu Luťchovi CSc za přiacutenosneacute rady k tomuto projektu a takeacute svyacutem rodičům za podporu během celeacuteho studia

7

Obsah

Seznam použityacutech zkratek 10

Seznam použityacutech symbolů 11

Uacutevod 12

1Větrnaacute energie 14

11Větrneacute turbiacuteny 17

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek 18

2Elektrolyacuteza 24

21Princip elektrolyacutezy 24

22Typy elektrolyacutezy 25

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů 29

24Uacutečinnost elektrolyacutezy 31

25Napětiacute člaacutenků 31

26Vliv provozniacutech podmiacutenek 32

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku 33

3Metody uskladněniacute vodiacuteku 35

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu 37

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu 40

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů 42

34Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku 45

4Palivoveacute člaacutenky 47

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků 47

42Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků 48

43Princip funkce palivovyacutech člaacutenků 49

44Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků 51

45Typy palivovyacutech člaacutenků 52

8

46Systeacutem palivovyacutech člaacutenků 63

5Instalace ve světě 66

6Přiacutepadovaacute studie 69

61Vyacuteběr lokace 69

62Větrnaacute turbiacutena 69

63Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov 70

64Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce 73

65Elektrolyzeacuter 75

66Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta 77

Zaacutevěr 82

Seznam použiteacute literatury 83

Seznam přiacuteloh 85

9

Seznam použityacutech zkratek

AFC Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

ČHMUacute Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav

HF Vodiacutekovyacute filtr

ICI Imperial chemical industries

IR Infračerveneacute zaacuteřeniacute

MEA Membraacutenoveacute uskupeniacute

MCFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů

NASA Naacuterodniacute uacuteřad pro letectviacute a kosmonautiku

NHL Niacutezkyacute horniacute limit

OF Kysliacutekovyacute filtr

PAFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute

PEM Palivovyacute člaacutenek s polymerniacute membraacutenou

PLC Programovatelnyacute logickyacute automat

SOFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů

UV Ultrafialoveacute zaacuteřeniacute

VHL Vysokyacute horniacute limit

10

Seznam použityacutech symbolů

Symbol Vyacuteznam Jednotka

c Rozměrovyacute Weibull parametr -

CFA Kapacitniacute faktor -

CFAmax Maximaacutelniacute kapacitniacute faktor -

hrf Referenčniacute vyacuteška m

k Tvarovyacute Weibull parametr -

mH Hmotnost vyrobeneacuteho vodiacuteku kg

Pav Vyacutekon v naacutevrhoveacutem bodě kW

Pnom Nominaacutelniacute vyacutekon větrneacute turbiacuteny kW

Pwt Vyacutekon jedneacute větrneacute turbiacuteny kW

Pwf Vyacutekon obou větrnyacutech turbiacuten kW

Rgh Deacutelka turbulence -

Ur Naacutevrhovaacute rychlost větru ms-1

VH Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku za rok Nm3rok

vstr Středniacute rychlost větru ms-1

VV Objem vody potřebneacute k elektrolyacuteze l

Z Nadmořskaacute vyacuteška m

σw Standardniacute odchylka ms-1

Ostatniacute zde neuvedeneacute symboly jsou systematicky vysvětlovaacuteny v textu diplomoveacute praacutece

11

Uacutevod

Plneacute vyacutehody využitiacute vodiacuteku jako udržitelneacuteho zdroje paliva mohou byacutet dosaženy pouze v přiacutepadě že vodiacutek je produkovaacuten z obnovitelnyacutech zdrojů energie Využitiacute větrneacute a solaacuterniacute energie zaznamenalo v posledniacutech letech velkyacute pokrok Tento pokrok znamenaacute sniacuteženiacute ceny energie vyrobeneacute z těchto zdrojů Velmi často jsou takoveacute zdroje energie široce dostupneacute pokud napřiacuteklad bereme v uacutevahu Evropu jako celek v samotneacute Českeacute republice jsou možnosti využitiacute větru a slunečniacute energie relativně maleacute vzhledem k celkoveacute energetickeacute poptaacutevce na našem trhu Obnovitelneacute zdroje energie se mohou uplatnit v odlehlyacutech oblastech nebo v oblastech kde neniacute dostatečně vybudovaacutena elektrickaacute siacuteť a pokryacutet lokaacutelniacute energetickeacute požadavky Provoz solaacuterniacutech a větrnyacutech systeacutemů vysoce zaacutevisiacute na meteorologickyacutech podmiacutenkaacutech a tiacutem paacutedem je produkce elektřiny proměnnaacute v čase a často nereflektuje energetickeacute požadavky Řešeniacute tohoto probleacutemu je uloženiacute energie Energie se nejčastěji uklaacutedaacute pomociacute bateriiacute Baterie rychle ztraacuteciacute uloženou energii a mohou byacutet použity pouze v relativně kraacutetkeacutem časoveacutem uacuteseku Baterie majiacute takeacute limitovanou životnost Lepšiacute možnostiacute uloženiacute energie se jeviacute využitiacute vodiacutek jako nositele energie Molekulaacuterniacute vodiacutek v přiacuterodě neexistuje musiacute byacutet ziacuteskaacuten jinyacutemi způsoby Jedinaacute skutečně vyspělaacute technologie ziacuteskaacutevaacuteniacute vodiacuteku z obnovitelnyacutech zdrojů energie je elektrolyacuteza vody při ktereacute je molekula vody rozdělena na kysliacutek a vodiacutek použitiacutem elektrickeacute energie Elektrolyzeacutery jsou založeny na alkalickyacutech elektrolytech nebo protonoveacute membraacuteně kde je použit materiaacutel Nafion jako elektrolyt Stejnyacute materiaacutel je použit jako elektrolyt i v PEM palivovyacutech člaacutenciacutech Systeacutem elektrolyacutezy vody se sklaacutedaacute z elektrolytickyacutech člaacutenků nebo modulů fluidniacuteho subsysteacutemu dodaacutevajiacuteciacuteho vodu do člaacutenku a odvaacutedějiacuteciacuteho plyny ze člaacutenku a elektrickeacuteho subsysteacutemu Hlavniacutemi komponenty vodniacute elektrolyacutezy katoda anoda a separaacutetor Anoda a katoda musiacute byacutet odolneacute korozi a musiacute byacutet dobryacutemi elektrickyacutemi vodiči Kapacita produkce vodiacuteku pomociacute elektrolyacutezy se může pohybovat řaacutedově od několika cm3min až do tisiacuteců m3h Uacutečinnost procesu se řaacutedově pohybuje kolem 70 Proces elektrolyacutezy požaduje vysokou energetickou hustotu takže proce může byacutet velice drahyacute Vyacuteroba levneacuteho vodiacuteku může byacutet dosažena použitiacutem mimo-špičkoveacute elektrickeacute energie kdy je přebytek energie ze solaacuterniacutech panelů nebo větrneacute elektraacuterny použit pro proces elektrolyacutezy Vodiacutek je nejčastěji uložen ve formě stlačeneacuteho plynu v tlakovyacutech naacutedobaacutech ale existujiacute i dalšiacute možnosti uloženiacute vyrobeneacuteho vodiacuteku (v kapalneacutem stavu v pevnyacutech hydridech kovu a nebo v kapalnyacutech nosičiacutech např metanolu) V obdobiacute elektrickyacutech špiček ale při špatnyacutech povětrnostniacutech podmiacutenkaacutech může byacutet vodiacutek použit jako palivo do vysoce efektivniacutech palivovyacutech člaacutenků k uspokojeniacute elektrickeacute poptaacutevky Vodiacutek vyprodukovanyacute větrnou energiiacute lze použiacutet jako alternativniacute palivo do aut Hlavniacutemi průkopniacuteky použiacutevaacuteniacute vodiacuteku v automobiloveacutem průmyslu jsou značky BMW a Toyota Palivoveacute člaacutenky jsou zařiacutezeniacute produkujiacuteciacute elektrickou energii tak dlouho dokud je zajištěna dodaacutevka vodiacuteku jako paliva Člaacutenky pracujiacute na na přiacutemeacute elektrochemickeacute konverzi paliva dosahujiacute tak vysokeacute uacutečinnosti dosahujiacuteciacute 40 Systeacutemy využiacutevajiacuteciacute vodiacutek nabiacuteziacute flexibilitu v dimenzovaacuteniacute diacuteky modularitě elektrolyzeacuterů palivovyacutech člaacutenků a uskladněniacute vodiacuteku Komplikovanost systeacutemu založeneacuteho na vodiacuteku je velmi vysokaacute Pro zajištěniacute kontinuaacutelniacutech dodaacutevek je potřeba zajistit kvalitniacute management energetickyacutech toků mezi jednotlivyacutemi složkami systeacutemu

12

Provoz elektrolyzeacuteru a palivovyacutech člaacutenků v kombinaci s obnovitelnyacutemi zdroji energie přinaacutešiacute několik probleacutemu Prvniacutem probleacutemem je určeniacute velikosti elektrolyzeacuteru vzhledem k vyacutekonu větrneacute elektraacuterny nebo poli solaacuterniacutech panelů Jednou možnostiacute je navrhnout velikost elektrolyzeacuteru tak aby byl schopen přijmout veškeryacute vyacutekon vyprodukovanyacute vyacutekon nebo použiacutet elektrolyzeacuter s vyacutekonem nižšiacutem než je maximum zdroje V prvniacutem přiacutepadě bude elektrolyzeacuter pracovat se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem jako zdroj Toto řešeniacute je ovšem cenově meacuteně konkurenceschopneacute Druhaacute instalace je ekonomicky vyacutehodnějšiacute jelikož elektrolyzeacuter pracuje při vyššiacute kapacitě ale čaacutest elektrickeacute energie musiacute byacutet využito jinyacutem způsobem než pro vyacuterobu vodiacuteku Provoz elektrolyzeacuteru v kombinaci s obnovitelnyacutem zdrojem energie maacute několik probleacutemů ktereacute je potřeba řešit Obnovitelneacute zdroje jsou velmi nestaacuteleacute zdroje energie takto produkovaacutena může značně koliacutesat hodinu od hodiny den od dne obdobiacute od obdobiacute nebo rok od roku Proměnnyacute přiacutekon může způsobit probleacutemy s termoregulaciacute elektrolyzeacuteru Spraacutevnyacute provoz elektrolyzeacuteru zaacutevisiacute na předpoviacutedatelnyacutech pracovniacutech teplotaacutech Elektrolyzeacutery potřebujiacute určitou dobu na zahřaacutetiacute a provoz pod nominaacutelniacutem přiacutekonem může způsobit nižšiacute provozniacute teploty ktereacute majiacute za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti Komprese vodiacuteku se provaacutediacute piacutestovyacutemi a odstředivyacutemi kompresory Spotřeba kompresoru zaacutevisiacute na tlakoveacutem poměru proto je potřeba uvažovat o tlakovyacutech elektrolyzeacuterech ktereacute mohou sniacutežit celkovou spotřebu energie systeacutemu Sniacuteženiacute spotřeby je důsledkem odstraněniacutem elektrickeacute energie potřebneacute pro mechanickou kompresi Při elektrolyacuteze vznikaacute kromě vodiacuteku takeacute kysliacutek Kysliacutek je převaacutežně vypouštěn ze systeacutemu může byacutet použit při provozu palivoveacuteho člaacutenku zlepšuje totiž jeho vyacutekon Cena kysliacuteku je asi 4x menšiacute než cena vodiacuteku takže je potřeba zvaacutežit zda se vyplatiacute kysliacutek uklaacutedat při dalšiacutech naacutekladech Produkce vodiacuteku požaduje dostatečneacute množstviacute čisteacute vody Nečistoty obsaženeacute ve vodě mohou vyacuteznamně ovlivnit životnosti elektrolytickyacutech člaacutenků Voda je obvykle čištěna přiacutemo na miacutestě instalace čištěniacute vody může byacutet dalšiacutem naacutekladem při produkci vodiacuteku Při provozu elektrolyzeacuteru nastaacutevaacute kraacutetkodobeacute zvyšovaacuteniacute napětiacute způsobeneacute ustaveniacutem rovnovaacutehy obsahu vody v membraacuteně a oxidaciacute katalyzaacutetoru a dalšiacutech kovovyacutech komponentů Současneacute palivoveacute člaacutenky majiacute relativně kraacutetkou životnost kvůli degradaci membraacuteny Životnost elektrolyzeacuteru a palivoveacuteho člaacutenku je potřeba zohlednit při naacutevrhu systeacutemu Dalšiacutem velmi důležityacutem probleacutemem tyacutekajiacuteciacutem se vodiacuteku je bezpečnost Nespraacutevneacute zachaacutezeniacute a skladovaacuteniacute může způsobit určiteacute nebezpečiacute protože vodiacutek maacute niacutezkou teplotu vzniacuteceniacute a je velmi hořlavyacute Plamen hořiacuteciacuteho vodiacuteku je teacuteměř neviditelnyacute lehce tak může způsobit zraněniacute jelikož je těžce pozorovatelnyacute Vodiacutek je těkavyacute a neniacute toxickyacute Naacuteležitaacute ochrana a spraacutevneacute použitiacute systeacutemů využiacutevajiacuteciacute vodiacutek by mělo zaručit bezpečnost a spraacutevnou funkci

13

1Větrnaacute energie

Větrnaacute energie je energie pohybujiacuteciacute se vzduchoveacute masy Pohyb vzduchoveacute masy je způsoben rozdiacutelem teplot v atmosfeacuteře Slunečniacute zaacuteřeniacute ohřiacutevaacute vzduch kteryacute naacutesledně stoupaacute do vyššiacutech pater atmosfeacutery Tento pohyb vzduchu maacute za naacutesledek vytvořeniacute zoacuten nižšiacuteho tlaku vzduchu Tok vzduchu tzn viacutetr tyto tlakoveacute diference vyrovnaacutevaacute Větrnaacute energie je slunečniacute energie přeměněnaacute na kinetickou energii pohybujiacuteciacuteho se vzduchu Větrnaacute energie je globaacutelně nejrychleji rostouciacute sektor vyacuteroby energie z obnovitelnyacutech zdrojů Instalovanyacute vyacutekon v zemiacutech Evropskeacute unie dosaacutehl v roce 2012 100 GW polovina teacuteto kapacity byla instalovanaacute v posledniacutech 6 letech Obraacutezek 1 ukazuje vyacutevoj instalovaneacuteho vyacutekonu

Obr 1 Instalovanyacute vyacutekon větrnyacutech elektraacuteren v EU [14]

Větrneacute elektraacuterny tohoto vyacutekonu jsou schopny pokryacutet potřebu elektrickeacute energie pro 57 milioacutenů domaacutecnostiacute Ekvivalentniacute vyacutekon v uhelnyacutech elektraacuternaacutech by byl dosažen po spaacuteleniacute 72 milioacutenů tun uhliacute což představuje cca 750 000 vagoacutenůI přes tento rozvoj pouze vybraneacute lokality majiacute charakteristiky rychlosti a staacutelosti větru vhodneacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Hraniciacute ekonomickeacute naacutevratnosti investice je pro větrneacute elektraacuterny umiacutestěneacute ve vnitrozemiacute hodnota průměrneacute rychlosti větru 6 ms pro elektraacuterny umiacutestěneacute na moři je tato hodnota 7 ms vyššiacute hodnota je způsobena zejmeacutena zvyacutešenyacutemi investičniacutemi naacuteklady na instalaci tzv off-shore elektraacuteren Prvotniacutem krokem vybraacuteniacute vhodneacute lokality pro instalaci větrneacute elektraacuterny je průzkum satelitniacutech dat o průměrneacute rychlosti větru Zdrojem těchto dat je velkeacute množstviacute instituciacute na obr 2 je mapa vytvořena společnostiacute NASA přesněji satelitem GEOS-1 kteraacute zobrazuje ročniacute průměrnou rychlost ve vyacutešce 50 m Pro českeacute investory budou nejzajiacutemavějšiacute informace ČHMUacute kteryacute je schopen za poplatek dodat informace o směru a rychlosti větru v Českeacute republice Data jsou ovšem nepřiacutemaacute naměřeneacute hodnoty z meteorologickyacute stanic jsou aproximovanaacute pomociacute

0

25

50

75

100

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011

Vyacuteko

n [G

W]

Rok

14

matematickyacutech modelů Tyto mapoveacute podklady sloužiacute k přibližneacutemu určeniacute vhodneacute lokality Konečneacute rozhodnutiacute o instalaci by mělo byacutet založeno na dlouhodobeacutem měřeniacute na konkreacutetniacutem miacutestě plaacutenovaneacute vyacutestavby větrneacute elektraacuterny

Obr 2 Průměrnaacute rychlost větru ve vyacutešce 50 m [15]

Miacutesta s největšiacutem potenciaacutelem pro využitiacute větrneacute energie jsou nad oceaacuteny naopak miacutesta s jednou z nejhoršiacutech využitelnostiacute větrneacute energie jsou centraacutelniacute regiony velkyacutech světadiacutelů Nejvhodnějšiacute lokality pro využiacutevaacuteniacute větrneacute energie jsou pobřežniacute regiony Pobřežniacute regiony jsou znaacutemeacute silnyacutem větrem a velkyacutem poměrem světoveacute populace tzn odběratelů elektrickeacute energie Větrnaacute energie trpiacute stejnyacutem neduhem jako většina zdrojů obnovitelneacute energie a to nestaacutelostiacute a značnyacutemi sezoacutenniacutemi rozdiacutely Je velmi složiteacute přesně předpovědět energetickyacute vyacutestup z větrnyacutech zdrojů Rozvodnaacute siacuteť je schopna tyto sezonniacute vyacutekyvy absorbovat ale pouze v přiacutepadě že větrnaacute energie tvořiacute meacuteně než 20 celkoveacute kapacity siacutetě Diacuteky nestaacutelosti větrneacute energie větrneacute turbiacuteny pracujiacute s niacutezkyacutem kapacitniacutem faktorem Podiacutel větrneacute energie může byacutet vyacuterazně zvyacutešen použitiacutem skladovaciacutech technologiiacute Skladovaciacutech technologiiacute je celaacute řada pro svou praacuteci jsem si vybral jako nejslibnějšiacute technologii použitiacute vodiacuteku jako energetickeacuteho nositele Využitiacute vodiacuteku k vyacuterobě elektřiny je kontrolovatelneacute a dokaacuteže pokryacutet energetickeacute vyacutekyvy v době kdy větrneacute elektraacuterny do siacutetě elektrickou energii nedodaacutevajiacute Pro zajištěniacute spolehlivosti energetickeacuteho zdroje a optimalizaci naacutekladů na instalaci je potřeba najiacutet vhodnyacute vztah mezi jmenovityacutem vyacutekonem větrneacute elektraacuterny a vyacutekonem vodiacutekoveacuteho systeacutemu Vzdušneacute prouděniacute je proměnneacute nejenom v kraacutetkeacutem časoveacutem horizontu ale zaacuteroveň se měniacute i v raacutemci ročniacuteho obdobiacute Tato proměnnost značně ovlivňuje vyacutekonnost celeacuteho systeacutemu Větrnaacute energie se měniacute takeacute teacuteměř z hodiny na hodinu proto je potřeba vytvořit strategii pro pracovniacute režimy elektrolyzeacuteru tak aby nedochaacutezelo k časteacutemu vypiacutenaacuteniacute a zapiacutenaacuteniacute systeacutemu v zaacutevislosti na variaci větrneacute energie Přesnaacute předpověď vyacutevoje rychlosti větru zahrnuta do plaacutenovaciacutech a provozniacutech naacutestrojů systeacutemu může systeacutem značně vylepšit

15

Vyacuteroba vodiacuteku pomociacute větrneacute energie se děje pomociacute elektrolyacutezy vody tento vyacuterobniacute postup je vysvětlen v kapitole ldquoelektrolyacutezardquo Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutem rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute Pomocnaacute energie je dodaacutevanaacute ze stabilniacuteho regulovatelneacuteho zdroje V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Kombinace zdroje jako je větrnaacute elektraacuterna s elektrolyzeacutery může miacutet za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti kvůli ztraacutetaacutem způsobenyacutech konverziacute elektrickeacute energie ze stejnosměrneacute na střiacutedavou a naopak Jak usměrňovače tak invertory spotřebujiacute čaacutest energie Tyto zařiacutezeniacute mohou v ideaacutelniacutech podmiacutenkaacutech pracovat s uacutečinnostiacute kolem 93 - 95 bohužel velmi proměnou energii ziacuteskaacutevanou s větru nemůžeme považovat za ideaacutelniacute podmiacutenky tomu odpoviacutedaacute i znatelně menšiacute uacutečinnost Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute

16

11Větrneacute turbiacuteny

111Technologie

Nejčastěji použiacutevanaacute větrnaacute turbiacutena je tzv vztlakovyacute třiacutelistyacute rotor s vodorovnou osou otaacutečeniacute Pracuje na principu leteckeacute vrtule kdy viacutetr obteacutekaacute lopatky Lopatkyjsou asymetricky tvarovaacuteny proto na každeacute straně lopatky maacute obteacutekajiacuteciacute vzduch jinou

Obr 3 Zjednodušeneacute scheacutema větrneacute elektraacuterny [14]

rychlost to vytvaacuteřiacute tlakovou diferenci ktereacute maacute v konečneacutem důsledku za naacutesledek vytvořeniacute vztlakovyacutech sil ktereacute rotor roztaacutečiacute Hnaciacute uacutestrojiacute je obvykle tvořeno niacutezko-rychlostniacute hřiacutedeliacute kteraacute připojuje rotor k převodovce Převodovka je 2 až 3 stupňovaacute tzv rychlost zvyšujiacuteciacute Převodovka je připojena vysoko-rychlostniacute hřiacutedeliacute ke generaacutetoru Generaacutetory jsou typicky asynchronniacute indukčniacute a pracujiacute v rozmeziacute 550 - 690 V Některeacute turbiacuteny mohou byacutet vybaveny přiacutedavnyacutem generaacutetorem zlepšujiacuteciacutem produkci při niacutezkeacute rychlosti větru Přiacutedavnyacute generaacutetor může byacutet oddělenyacute nebo integrovanyacute v hlavniacutem generaacutetoru Součaacutestiacute větrnyacutech turbiacuten je i transformaacutetor kteryacute pomociacute elektromagnetickeacute indukce zvyšuje napětiacute proudu vznikajiacuteciacuteho ve větrneacute elektraacuterně Sběrnyacute systeacutem na miacutestě větrneacute elektraacuterny obvykle operuje se středniacutem napětiacute cca 25 - 35 kV Obraacutezek 3 zobrazuje zaacutekladniacute čaacutesti typickeacute větrneacute elektraacuterny Typickaacute větrnaacute elektraacuterna je vybavena regulačniacutem systeacutemem naklaacutepěniacute Pomociacute tohoto zařiacutezeniacute jsou uacutehly naacuteběhu listu rotoru staacutele regulovaacuteny tak aby byl rotor optimaacutelně přizpůsoben aktuaacutelniacutem větrnyacutem podmiacutenkaacutem Při vyššiacutech rychlostech větru regulačniacute systeacutemy zajišťujiacute aby vyacutekon elektraacuterny byl co možnaacute nejbliacuteže jmenoviteacuteho vyacutekonu Při nižšiacutech rychlostech optimalizujiacute předaacutevaacuteniacute vyacutekonu nastaveniacutem optimaacutelniacuteho počtu otaacuteček a optimaacutelniacuteho uacutehlu nastaveniacute rotorů Veškereacute funkce elektraacuterny jsou kontrolovaacuteny a řiacutezeny řiacutediacuteciacute jednotkou kteraacute je umiacutestěna

17

většinou ve věži Změny uacutehlu nastaveniacute listů rotoru jsou aktivovaacuteny pomociacute mžikoveacuteho ramene hydraulickyacutem systeacutemem kteryacute umožňuje listům rotovat axiaacutelně Elektricky pohaacuteněneacute převody se starajiacute o nataacutečeniacute celeacute gondoly ve směru větru Pohyb je uskutečňovaacuten pomociacute pastorku v gondole zasahujiacuteciacuteho do zubů otočneacuteho věnce kteryacute je upevněn na vrchniacute čaacutesti věže [2] Ložiskovyacute systeacutem směrovaacuteniacute větru je systeacutem kluzneacuteho ložiska se zabudovanou frikčniacute a blokujiacuteciacute funkciacute Listy rotoru jsou vyrobeny z epoxidoveacute pryskyřice vyztuženeacute skelnyacutem vlaacuteknem Každyacute list rotoru se sklaacutedaacute ze dvou polovin ktereacute jsou spojeny s nosnou traverzou Zvlaacuteštniacute oceloveacute vložky k ukotveniacute spojujiacute listy rotoru s ložiskem Brzděniacute rotoru probiacutehaacute pomociacute nastaveniacute listů Parkovaciacute brzda se nachaacuteziacute na vysokorychlostniacutem hřiacutedeli Gondola chraacuteniacute vnitřniacute komponenty elektraacuterny před povětrnostniacutemi podmiacutenkami a zviacuteřectvem Gondola je nejčastěji vyrobena z plastu[1]

Obr 4 Vztah rychlosti větru a vyacutekonu větrneacute elektraacuterny [8]

Jak je ukaacutezaacuteno na obraacutezku 4 vyacutekon větrneacute elektraacuterny je funkciacute rychlosti větru Vztah mezi vyacutekonem a rychlostiacute větru je definovaacuten pomociacute tzv vyacutekonoveacute charakteristiky kteraacute je unikaacutetniacute pro každou turbiacutenu v některyacutech přiacutepadech se může lišit i v zaacutevislosti na umiacutestěniacute elektraacuterny Pokud se budeme snažit generalizovat tak většina elektraacuteren začiacutenaacute produkovat vyacutekon při rychlosti větru okolo 2 ms jmenoviteacuteho vyacutekonu dosaacutehne okolo 13 ms a k odstaveniacute kolem 25 mskdy je nebezpečiacute poškozeniacute mechanickyacutech čaacutestiacute elektraacuterny a proto dojdek zabrzděniacute rotoru Proměnnost větru maacute za naacutesledek neustaacutelou změnu vyacutekonu Větrnaacute elektraacuterna umiacutestěna v lokaci s dobrou charakteristikou větru je schopna v ročniacutem průměru produkovat maximaacutelně 35 sveacute možneacute kapacity

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek

121Všeobecně

Vzhledem k tomu že větrneacute podmiacutenky jsou specifickeacute pro danou lokalitu a jsou vyacuterazně ovlivněny topologiiacute tereacutenu i překaacutežkami v okoliacute instalovaneacute větrneacute elektraacuterny je nutneacute ziacuteskat co nejpřesnějšiacute kvantitativniacute popis těchto podmiacutenek Elektrickeacute energie produkovanaacute danou větrnou elektraacuternou se vyacuterazně měniacute s odchylkami rychlosti větru od jejiacute středniacute hodnoty Jestliže 50 časoveacuteho uacuteseku

18

je rychlost větru 12 ms a 50 je rychlost 0 ms větrnaacute elektraacuterna vyrobiacute podstatně viacutece energie energie než když 100 tohoto času je rychlost větru 6 ms [3] Tato skutečnost vyplyacutevaacute ze zaacutevislosti vyacutekonu větrneacute elektraacuterny na třetiacute mocnině rychlosti větru [4] Pro vyhodnoceniacute očekaacutevaneacute produkce elektrickeacute energie v daneacute lokalitě je nutnaacute znalost distribuce rychlosti větru

122Počiacutetačoveacute modelovaacuteniacute

V širšiacutem měřiacutetku je možno modelovat průběh rychlosti větru počiacutetačovyacutem modelovaacuteniacutem Speciaacutelniacute vyacutepočetniacute algoritmy dokaacutežiacute popsat vliv různyacutech parametrů na rychlost větru jako je nadmořskaacute vyacuteška topografie a povrch tereacutenu Tyto modely musiacute použiacutevat vstupniacute data o charakteru větru ze znaacutemeacute lokace Roli těchto znaacutemyacutech lokaciacute zastupujiacute předevšiacutem meteorologickeacute stanice ktereacute nabiacuteziacute přesneacute měřeniacute směru a rychlosti větru pro daneacute miacutesto

Obr 5 Průměrnaacute rychlost větru v 10 m [16]

Tyto viacutetr mapujiacuteciacute programy dle znaacutemyacutech hodnot odvodiacute hodnoty rychlostiacute větru pro specifickou vyacutešku a miacutesto na zaacutekladě těchto hodnot se vytvaacuteřiacute tzv atlas větru Atlasy větru jsou vydaacutevaacuteny ve velkeacute množstviacute měřiacutetek od globaacutelniacutech map po mapy lokaacutelniacute U naacutes je zdrojem těchto map předevšiacutem ČHMUacute kteryacute tyto mapy poskytuje potencionaacutelniacutem investorům za uacuteplatu Větrneacute mapy reprezentujiacute nejlepšiacute

19

odhad větrnyacutech zdrojů na velkeacutem uacutezemiacute Nemohou však zastoupit měřeniacute větru přiacutemo na miacutestě anemometrem Sloužiacute k vybraacuteniacute lokality s větrnyacutem potenciaacutelem Dalšiacute vyhodnoceniacute vyacutenosnosti větrneacute elektraacuterny probiacutehaacute již na samotneacutem miacutestě budouciacute instalace a to vyhodnoceniacutem lokaacutelniacutech podmiacutenek ovlivňujiacuteciacutech rychlost prouděniacute větru

123Měřeniacute v miacutestě umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny

Měřeniacute rychlosti se provaacutediacute anemometrem umiacutestěnyacutem v předpoklaacutedaneacute vyacutešce rotoru aby byly vyacutesledky co možnaacute nejviacutece reprezentativniacute Samotneacute měřeniacute se obvykle provaacutediacute v průběhu jednoho roku Tato informace se uvaacutediacute nejčastěji formou sloupcoveacuteho diagramu např obr 6 kteryacute udaacutevaacute procentuaacutelniacute vyacuteskyt rychlosti větru

Obr 6 Četnost vyacuteskytu rychlostiacute větru proloženyacutech funkciacute Weibull

ve třiacutedaacutech o šiacuteřce 1 ms Ze sloupcoveacuteho grafu se vyhodnocuje středniacute rychlost větru zpravidla během jednoho roku většinou tzv Weibullovyacutem rozděleniacutem (fialovaacute křivka na obraacutezku 6) Středniacute rychlost je daacutele použiacutevaacutena při vyacutepočtech vyacutekonu Weibullova funkce je pravděpodobnostniacute dvouparametrovaacute funkce kteraacute maacute tvar

p(v) = kA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ sdot

vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdoteminus vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

kde p(v) pravděpodobnost vyacuteskytu rychlosti v v rychlost větru [ms] k tvarovyacute parametr [-] A parametr měřiacutetka [ms]

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Čet

nost

vyacutes

kytu

[]

Rychlost větru [ms]

20

Rychlost větru je nejnižšiacute na zemskeacutem povrchu a zvyšuje se se stoupajiacuteciacute vyacuteškou tento jev je spojen s vyacuteskytem mezniacute vrstvy při povrchu Vyacutekon větrneacute elektraacuterny je

Obr 7 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

v podstatě uacuteměrnyacute třetiacute mocnině středniacute rychlosti větru Hlavniacute snahou je tedy umiacutestit rotor co možnaacute nejvyacuteše Tento jev je ilustrovaacuten uvedenyacutem vertikaacutelniacutem rychlostniacutem profilem na obraacutezku 7 Z uvedeneacuteho grafu je patrneacute zvyacutešeniacute rychlosti až do vyacutešky 40 - 50 m Kvantitativně tento jev shrnuje obecnaacute tabulka 1 v přiacutepadě je uvažovaacuten nominaacutelniacute vyacutekon při vyacutešce osy rotoru 10 m potom je růst vyacutekonu s rostouciacute vyacuteškou naacutesledujiacuteciacute

Vyacuteška osy rotoru

Zvyacutešeniacute vyacutekonu

10 m 0

19 m 41

27 m 75

36 m 100

46 m 125

Tab 1 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vyacutešk

a [m

]

Rychlost větru[ms]

21

124 Miacutestniacute faktory ovlivňujiacuteciacute rychlost větru

Rychlost větrneacuteho prouděniacute neovlivňujiacute pouze globaacutelniacute faktory jako je topografie geografickeacute umiacutestěniacute a dalšiacute faktory širšiacuteho charakteru Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru se měniacute takeacute s drsnostiacute povrchu turbulenciacute za překaacutežkami Zvyacutešenaacute drsnost povrchu v protisměru převlaacutedajiacuteciacuteho větru může zvyacutešit jeho rychlost v ose rotoru s naacuteslednyacutem zvyacutešeniacutem vyacutekonu [2] Pro kvantitativniacute vyhodnoceniacute vlivu drsnosti povrchu na rychlost větru se použiacutevaacute vztah mezi vyacuteškami osy rotoru a odpoviacutedajiacuteciacutemi rychlostmi větru a vypadaacute takto

kde v rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce osy rotoru h vref rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce rotoru href α exponent jehož hodnota vyjadřuje charakter drsnosti

Pro danou lokalitu je potřebneacute naleacutezt hodnotu exponentu α z vyacutesledků měřeniacute rychlosti větru Typickeacute obecneacute hodnoty exponentů pro větrnou elektraacuternu s referenčniacute vyacuteškou 35 m jsou v tabulce 2

Drsnost povrchu α [ - ]

Faktor zvyacutešeniacute [ - ]

Velmi niacutezkaacute (klidnaacute hladina moře)

010 145

Niacutezkaacute (louky pole)

016 182

Průměrnaacute (les křoviny)

020 212

Vyššiacute (vesnice roztroušeneacute domy)

028 286

Vysokaacute (město s vysokyacutemi budovami)

040 450

Tab 2 Hodnoty exponentu α [4]

Dalšiacutem důležityacutem faktorem ovlivňujiacuteciacutem rychlost větru a chod větrneacute elektraacuterny je turbulence Turbulence je charakterizovanaacute rychlyacutemi změnami rychlosti větru a je měřena standardniacute odchylkou σ od středniacute hodnoty okamžiteacute rychlosti větru zaznamenanyacutech každeacute 2 sekundy po dobu 10 minut Intenzita turbulence je definovanaacute ke středniacute hodnotě rychlosti větru vstr je často definovanaacute jako

v = vref sdothhref

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

α

22

Intenzitu turbulence v miacutestě zamyacutešleneacute instalace větrneacute elektraacuterny je potřebneacute porovnat se standarty mezinaacuterodniacute elektrotechnickeacute komise IEC Tyto standarty pomaacutehajiacute při určeniacute zda turbulence v daneacutem miacutestě nejsou mimo předepsaneacute limity Pokud hodnoty intenzity turbulenciacute přesahujiacute limity způsobily by zkraacuteceniacute životnosti větrneacute elektraacuterny hlavně vlivem uacutenavy konstrukčniacutech materiaacutelů IEC standarty použiacutevajiacute 2 hodnoty

vysokyacute horniacute limit VHL = 012middotvstr+095 niacutezkyacute horniacute limit NHL = 012middotvstr+060

Je-li intenzita turbulence menšiacute než niacutezkyacute horniacute limit je lokalita vhodnaacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Pokud je intenzita většiacute než vysokyacute horniacute limit vyacutestavba neniacute vhodnaacute Turbulence děliacuteme podle druhu vzniku na mechanickou termickou a dynamickou Mechanickaacute turbulence vznikaacute třeniacutem proudiacuteciacuteho vzduchu o nerovnyacute zemskyacute povrch Intenzita mechanickeacute turbulence je zaacutevislaacute na členitosti tereacutenu (stromy les budovy) a na rychlosti větru Zvlaacuteštniacutem druhem mechanickeacute turbulence je turbulence orografickaacute Orografickaacute turbulence vznikaacute důsledkem prouděniacute vzduchu přes horskeacute překaacutežky Tato turbulence vznikaacute i při stabilniacutem zvrstveniacute vzduchu v důsledku vyacuterazneacute deformace vzdušneacuteho proudu V zaacutevětřiacute horskyacutech hřebenů vznikajiacute vertikaacutelniacute pohyby o rychlosti plusmn 10 ms Jeseniacuteky jsou u pilotů kluzaacuteku vyhledaacutevaacuteny praacutevě kvůli časteacutemu vyacuteskytu orografickeacute turbulence kteraacute jim dovoluje provaacutedět přelety v řaacutedech stovek kilometrů Termickaacute turbulence vznikaacute v důsledku labilniacuteho zvrstveniacute atmosfeacutery při prouděniacute studeneacuteho vzduchu nad teplejšiacute povrch nebo v důsledku nerovnoměrneacuteho ohřevu zemskeacuteho povrchu Dynamickaacute turbulence vznikaacute v oblastech velkeacuteho střihu větru Nejčastěji je spojena s oblastmi proudoveacuteho toku

I = σvstr

23

2Elektrolyacuteza

Viacutece než 400 průmyslovyacutech vodniacutech elektrolyzeacuterů bylo v provozu na začaacutetku devatenaacutecteacuteho stoletiacute V roce 1939 byla vybudovaacutena prvniacute velkaacute tovaacuterna v Lonze využiacutevajiacuteciacute vodniacute elektrolyacutezu kteraacute produkovala 10000 Nm3 H2 hod Převaacutežnaacute většina světově produkovaneacuteho vodiacuteku je spotřebovaacutena v petrochemickeacutem průmyslu a při vyacuterobě amoniaku a methanolu Elektrolytickyacute vodiacutek je využiacutevaacuten v menšiacutech aplikaciacutech zvlaacuteště tam kde je požadovaacutena vysokaacute čistota vodiacuteku V potravinaacuteřskeacutem průmyslu je vodiacutek použiacutevaacuten pro zvyacutešeniacute stupně nasyceniacute u tuků a olejů zvyšuje tak jejich bod taacuteniacute a odolnost vůči oxidaci V elektronickeacutem průmyslu je použiacutevaacuten jako redukčniacute činidlo v epitaxaacutelniacutem růstu polysilikonu a ve vyacuterobě integrovanyacutech obvodů V jaderneacutem průmyslu vodiacutek zastupuje roli čističe kysliacuteku kdy odstraňuje kysliacutekoveacute stopy ktereacute mohou způsobit korozniacute poškozeniacute materiaacutelu Maleacute množstviacute vodiacuteku je použiacutevaacuteno takeacute ve farmaceutickeacutem sklaacuteřskeacutem a plasma průmyslu Diacuteky sveacute dobreacute tepelneacute vodivosti je použiacutevaacuten jako chladiacuteciacute meacutedium v elektrickyacutech generaacutetorech elektraacuteren Proces elektrolyacutezy je elektrochemickyacute rozpad molekuly vody na jednotliveacute složky jmenovitě vodiacutek a kysliacutek [7] Podle druhu elektrolytu použiacutevaneacuteho pro přenos elektrickeacuteho proudu v procesu děliacuteme elektrolyacutezu vody na 4 zaacutekladniacute typy Na začaacutetku 19 stoletiacute použiacutevaly prvniacute zařiacutezeniacute na elektrolyacutezu jako elektrolyt kyselinu později bylo od teacuteto metody odstoupeno převaacutežně pro probleacutemy s koroziacute Elektrolyzeacutery použiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolytickou membraacutenu jsou druhyacutem typem Použitaacute membraacutena vodiacute protony a nepropouštiacute kysliacutek Tato technologie je relativně novaacute takže v současneacute době neexistujiacute velkeacute aplikace tohoto druhu elektrolyacutezy Dalšiacutem typem elektrolyacutezy je tzv parniacute elektrolyacuteza probiacutehajiacuteciacute při vysokeacute teplotě použiacutevajiacuteciacute keramickyacute elektrolyt vodiacuteciacute kysliacutekovyacute ion tento způsob maacute potenciaacutel pro vysokou uacutečinnost v současneacute době prokaacutezanou pouze laboratorně V dnešniacute době je nejrozšiacuteřenějšiacute elektrolyacuteza použiacutevajiacuteciacute alkalickyacute elektrolyt nejčastěji hydroxid draselnyacute

21Princip elektrolyacutezy

Při vedeniacute stejnosměrneacuteho proudu mezi dvěma elektrodami ve vodě vznikaacute vodiacutek kysliacutek a teplo podle naacutesledujiacuteciacute rovnice

Čistaacute voda je ovšem špatně vodivaacute proto se musiacute byacutet přidaacuten vodivyacute elektrolyt kteryacute zajistiacute technicky akceptovatelnou uacuteroveň potřebneacuteho napětiacute Elektrickeacute napětiacute přivedeneacute na elektrody musiacute přesaacutehnout minimaacutelniacute hodnotu tak aby reakce proběhla Hodnota tohoto napětiacute je určena Gibbsovou entalpiiacute rozkladu vody a je funkciacute tlaku a teploty Za standardniacutech podmiacutenek (teplota 25 degC tlak 1 bar) je to 123 V Teoretickaacute energie potřebnaacute pro průběh elektrolyacutezy se vyjadřuje pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vyacuterazu

kde ΔH změna entalpie reakce ΔG změna Gibbsovy volneacute energie T teplota a ΔS změna entropie Změna entalpie při standardniacutech podmiacutenkaacutech je 2858 kJmol Změna Gibbsovy volneacute energie je při standardniacutech podmiacutenkaacutech 2372 kJmol To znamenaacute

H2O⎯rarr⎯ H2 +12O2

ΔH = ΔG +T sdot ΔS

24

že 2372 kJ mol z 2858 kJmol musiacute byacutet dodaacuteno elektrickyacutem proudem a zbylaacute čaacutest může byacutet dodaacutena elektrickyacutem proudem nebo teplem V reaacutelnyacutech podmiacutenkaacutech pro niacutezkoteplotniacute elektrolyacutezy je však veškeraacute potřebnaacute energie dodaacutena elektrickyacutem proudem [8] Dalšiacute termodynamickou charakteristikou elektrolyacutezy je reverzibilniacute napětiacute Vyjadřuje minimaacutelniacute elektrickyacute potenciaacutel potřebnyacute k elektrolytickeacute reakci při standardniacutech podmiacutenkaacutech se rovnaacute 123 V

kde 2 je počet elektronů potřebnyacutech k rozděleniacute molekuly vody a F je Faradayova konstanta Termoneutraacutelniacute napětiacute je napětiacute při ktereacutem by pracoval dokonale efektivniacute člaacutenek v přiacutepadě že veškereacute potřebnaacute energie je dodaacutevaacutena elektrickyacutem proudemPro standardniacute podmiacutenky se rovnaacute 148 V a je vyjaacutedřeno naacutesledujiacuteciacutem vztahem

Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem menšiacutem než je napětiacute reverzibilniacute nedojde k rozkladu molekuly vody Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem v rozmeziacute mezi reverzibilniacutem a termoneutraacutelniacutem napětiacute elektrolytickyacute proces je endotermickyacute Je potřeba dodat teplo pro rozpad molekuly vody Napětiacute většiacute než termoneutraacutelniacute napětiacute maacute za naacutesledek že proces je exotermickyacute a veškeraacute energie je dodaacutena z elektrickeacuteho proudu Přidaneacute teplo je potřeba odstranit Reversibilniacute i termoneutraacutelniacute napětiacute jsou funkcemi teploty tlaku a složeniacute elektrolytu [8] Zaacutekladniacutemi čaacutestmi člaacutenku na vodniacute elektrolyacutezu je katoda anoda a oddělovač Katoda musiacute byacutet odolnaacute korozi umiacutestěnaacute v elektrolytu s redukčniacutem potenciaacutelem Katoda musiacute byacutet dobryacute vodič a miacutet strukturaacutelniacute celistvost Elektrody jsou od sebe odděleny membraacutenou nepropouštějiacuteciacute plyny

22Typy elektrolyacutezy

221Alkalickaacute elektrolyacuteza

Alkalickaacute elektrolyacuteza je v současnosti komerčně nejpoužiacutevanějšiacute elektrolyacutezou Tři největšiacute elektrolyzeacutery byly instalovaacuteny ve 40 letech na dodaacutevky vodiacuteku do zařiacutezeniacute na vyacuterobu amoniaku a naacuteslednou vyacuterobu hnojiva Tyto elektrolyzeacutery jsou umiacutestěny v Indii (De Nora) Norsku (Norsk-Hydro) a Egyptě (Demag) Obraacutezek 8 scheacutematicky zobrazuje alkalickyacute elektrolytickyacute člaacutenek

Erev =ΔG2 sdotF

Etn =ΔH2 sdotF

25

Obr 8 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [8]

V alkalickeacutem člaacutenku probiacutehaacute naacutesledujiacuteciacute zjednodušenaacute reakce

V elektrolytu 2H2O⎯rarr⎯ 2H + + 2OH minus

Na katodě 2H + + 2eminus ⎯rarr⎯ H2

Na anodě 2OH minus ⎯rarr⎯ 1

2+ H2O + 2eminus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ H2 +O2

Alkalickaacute elektrolyacuteza probiacutehaacute při teplotě kolem 80degC a při tlaku v rozmeziacute 1 až 30 barů Pro průběh elektrolyacutezy je zapotřebiacute zajistit plynulyacute pohyb hydroxidovyacutech ionů (OH-) z katody na anodu ale zabraacutenit smiacutechaacuteniacute produkovanyacutech plynů Tyto požadavky splňuje tzv separaacutetor (membraacutena nebo clona) Separaacutetorje umiacutestěn mezi elektrody a diacuteky svyacutem charakteristickyacutem vlastnostem propouštiacute hydroxidoveacute iony zatiacutemco zabraňuje v pronikaacuteniacute jednotlivyacutech plynů Voda je obvykle přidaacutevaacutena do cirkulujiacuteciacuteho elektrolytu je to takeacute způsob jak odstranit odpadoveacute teplo z reakce a kontrolovat teplotu procesu Tradičniacute alkalickeacute elektrolyzeacutery jsou konstruovaacuteny pomociacute tzv zero gap design (naacutevrh bez mezery) kde anoda i katoda jsou umiacutestěny do bezprostředniacute bliacutezkosti separaacutetoru Umiacutestěniacute obou elektrod bliacutezko sebe maacute za naacutesledek sniacuteženiacute ohmickyacutech ztraacutet v elektrolytu Pokud se při elektrolyacuteze vytvaacuteřiacute bublinky plynů jsou transportovaacuteny do zadniacute strany elektrod skrze mezery v perforovanyacutech elektrodaacutech a tiacutem paacutedem nebudou blokovat proud ionů mezi elektrodami Vodiacutek je ziacuteskaacutevaacuten na katodaacutech jeho čistota je až 98 objemovyacutech kde jedinyacutemi nečistotami jsou kysliacutek a voda Vodiacutek může byacutet daacutele čištěn až na koncentraci teacuteměř 100 a to odstraněniacutem kysliacuteku v katalytickeacutem deoxideacuteru a vody v sušičce Těmito procedurami ovšem ztratiacuteme 5-10 celkoveacute produkce vodiacuteku Je potřeba si tuto ztraacutetu uvědomit při požadavciacutech na 100 čistyacute vodiacutek

26

Na obraacutezku 9 je zjednodušenyacute diagram průmysloveacuteho uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy Vodiacutek a kysliacutek opouštějiacute proces kde dochaacuteziacute k elektrochemickeacute disociaci vody odděleně přes naacutedoby HV a OV kde jsou odstraňovaacuteny zbytky elektrolytickeacuteho roztoku Elektrolyt a plyny jsou daacutele ochlazeny Z naacutedob pokračujiacute přes filtry HF A OF k odstraněniacute stop po elektrolytu Kysliacutek je uložen nebo spotřebovaacuten v dalšiacutech aplikaciacutech Vodiacutek může byacutet takeacute použiacutet ihned po průchodu filtry nicmeacuteně na obraacutezku 9 prochaacuteziacute dalšiacute čistiacuteciacute sekciacute Čistiacuteciacute sekce se sklaacutedaacute z deoxideacuteru kde dochaacuteziacute ke spalovaacuteniacute kysliacuteku obsaženeacuteho ve vodiacuteku na vodniacute paacuteru kteraacute je daacutele odstraněna v sušičce

Obr 9 Průmysloveacute uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy [7]

222Elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute membraacutenu

Kyseleacute roztoky nejsou v dnešniacute době přiacuteliš použiacutevaacuteny v průmysloveacute elektrolyacuteze vody ale i přesto nabiacutezejiacute alternativu k tekutyacutem alkalickyacutem elektrolytům Polymerniacute membraacuteny se vyznačujiacute velmi dobrou vodivostiacute protonů a špatnou vodivostiacute elektronů Polymerniacute membraacutena tak umožňuje tok protonů mezi elektrodami a zaacuteroveň zabraňuje stejneacutemu pohybu elektronů Elektrony musiacute použiacutet vnějšiacute obvod pro přechod mezi elektrodamiPro kyselyacute elektrolyt vypadaacute rovnice elektrolyacutezy naacutesledovně

Katoda 2H 3O + 2eminus ⎯rarr⎯ 2H2O + H2

Anoda 3H2O⎯rarr⎯ 2H 3O+ +O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

27

Obr 10 Scheacutema elektrolyacutezy s polymerniacute membraacutenou

Polymerniacute membraacutena zastupuje roli jak separaacutetoru tak elektrolytu Většina materiaacutelu membraacuten je založena na sulfonovanyacutech fluoropolymerech k vedeniacute protonů Nejznaacutemějšiacute materiaacutelem membraacuten je tzv Nafionreg kteryacute byl vyvinut společnostiacute Dupont Sulfonoveacute kyseliny jsou vysoce hydrofilniacute (přitahuje vodu) na druhou stranu fluropolymer je hydrofobniacute (odpuzuje vodu) Uvnitř hydratovanyacutech oblastiacute se H+ iony (protony) mohou relativně volně pohybovat tedy vytvaacuteřet zřeďovaneacute kyseliny H+ iony se mohou pohybovat na kraacutetkeacute vzdaacutelenosti i mimo hydratovaneacute oblasti pomociacute podporujiacuteciacutech dlouhyacutech molekulovyacutech struktur Tento pohyb je mnohem obtiacutežnějšiacute Hydratovanaacute membraacutena je tedy jeden z důležityacutech faktorů usnadňujiacuteciacute pohyb protonů a tiacutem paacutedem celkovou miacuteru elektrolyacutezy Horniacute limit teploty pro vyacuteměnu elektronů membraacutenou je okolo 125-150 degC ale většina elektrolyzeacuterů pracuje v režimu s tekutou vodou při teplotě cca 80 degC Vyššiacute pracovniacute teploty ktereacute by zlepšily kinematiku reakce můžeme dosaacutehnout diacuteky novyacutem polymerniacutem materiaacutelům nebo keramickyacutem materiaacutelům vodiacuteciacutem protony Vyššiacute teplota ovšem maacute za naacutesledek generaci většiacuteho množstviacute tepla Teplo musiacute byacutet odstraněno pomociacute cirkulace dostatečneacuteho množstviacute vody podeacutel anodoveacute elektrody člaacutenku Elektrody jsou většinou tvořeny tenkou vrstvou platinoveacuteho katalyzaacutetoru připevněneacuteho k membraacuteně Platina je považovaacutena za nejlepšiacute katalyzaacutetor jak pro anodu tak katodu diacuteky svyacutem termodynamickyacutem a kinetickyacutem vlastnostem Platina je nejnaacutekladnějšiacute čaacutesti elektrolytickyacutech člaacutenků i přes to že se množstviacute použiacutevaneacute platiny značně sniacutežilo [9] Elektrolyacuteza s pevnou membraacutenou pracuje s vyššiacute proudovou hustotou než alkalickaacute elektrolyacuteza I přes vyššiacute ceny materiaacutelů je pro ně potřebnaacute menšiacute plocha člaacutenků pro produkci stejneacuteho množstviacute vodiacuteku než pro alkalickeacute člaacutenky

28

223Parniacute elektrolyacuteza

Parniacute elektrolyacuteza probiacutehaacute za mnohem vyššiacute teploty než předešleacute typy typicky je to kolem 900-1000 degC a voda je do procesu přivaacuteděna jako paacutera Elektrolyt je vyroben z pevneacuteho keramickeacuteho materiaacutelu kteryacute vede kysliacutekoveacute iony Vysokaacute provozniacute teplota je nezbytnaacute pro keramickyacute materiaacutel aby byl dostatečně iontově vodivyacute Parniacute elektrolyzeacutery dodaacutevajiacute velkou čaacutest potřebneacute energie na elektrolyacutezu pomociacute tepla z paacutery miacutesto elektřiny [9] Principiaacutelně funguje stejně jako elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolyt Pevnyacute keramickyacute elektrolyt dovoluje kysliacutekovyacutem ionům prochaacutezet materiaacutelem od katody k anodě zatiacutemco zabraňuje pohybu elektronů ktereacute se přemisťujiacute externiacutem obvodem Keramickyacute elektrolyt takeacute zabraňuje promiacutechaacutevaacuteniacute vznikajiacuteciacutech plynů Na obraacutezku 11 je scheacutematicky zobrazen princip parniacute elektrolyacutezy

Obr 11 Princip parniacute elektrolyacutezy [9]

Zaacutekladniacute reakce probiacutehaacute v elektrodaacutech a odlišuje se od předešlyacutech způsobů elektrolyacutezy Celkovaacute reakce rozpadu vody zůstaacutevaacute nezměněna

Katoda H2O + 2eminus ⎯rarr⎯ H2 +O2minus

Anoda O2minus ⎯rarr⎯ 1

2O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

Vodniacute paacutera je je přivaacuteděna do komory u anody kde reaguje s elektrony a rozpadne se na vodiacutekoveacute a kysliacutekoveacute ionty Po přechodu k anodě kysliacutekoveacute ionty uvolňujiacute elektrony a tak vytvořiacute plynnyacute kysliacutek

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů

Za uacutečelem ziacuteskaacuteniacute požadovaneacuteho množstviacute vodiacuteku jsou elektrolyzeacutery tvořeny většiacutem počtem elektrolytickyacutech člaacutenků nebo paacuterů elektrod ktereacute mohou byacutet spojeny seacuteriově nebo paralelně Existujiacute dva druhy uspořaacutedaacuteniacute člaacutenků a to monopolaacuterniacute (naacutedržovyacute) a bipolaacuterniacute

29

V monopolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute je každaacute elektroda spojena a je napaacutejena externiacutem proudem Elektrody jsou jedno-polaacuterniacute každaacute je katoda nebo anoda Člaacutenky jsou spojeny paralelně tudiacutež napětiacute je stejneacute jak v jednotlivyacutech člaacutenciacutech tak v celeacute naacutedrži bez ohledu na celkovyacute počet člaacutenků Napětiacute je typicky kolem 12 - 2 V Tato konfigurace je jednoduchaacute robustniacute a snadnaacute na uacutedržbu Použiacutevajiacute se relativně levneacute čaacutesti a jednotliveacute buňky jsou snadno izolovatelneacute pro provedeniacute uacutedržby Ze sveacute podstaty maacute většiacute spotřebu energie diacuteky poklesu potenciaacutelu v člaacutenciacutech a je nutneacute použiacutevat vysokyacute proud pro přiměřenou produkci [9]

Obr12 Princip monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute [9]

V bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute jsou elektrody bipolaacuterniacute každaacute elektroda je na jedneacute straně anoda a na druheacute katoda s vyacutejimkou dvou koncovyacutech elektrod z nichž je jedna anoda a druhaacute katoda Buňky jsou spojeny elektricky paralelně a hydraulicky seacuteriově jak je zobrazeno na obraacutezku 13 Proud teče z jedneacute buňky do druheacute a tiacutem paacutedem je stejnyacute pro všechny buňky Celkoveacute napětiacute člaacutenku je rovno součtu napětiacute jednotlivyacutech buněk Každeacute napětiacute zaacutevisiacute na proudoveacute hustotě což je proud na jednotku plochy elektrody a na teplotu elektrolyacutezy V praxi je volt-ampeacuterovaacute charakteristika elektrolyzeacuteru unikaacutetniacute zaacutevisejiacuteciacute na aktivitě elektrody tepelneacute uacutečinnosti a dalšiacutech konstrukčniacutech charakteristikaacutech elektrolyzeacuteru [7]

Obr 13 Princip bipolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute zdroj [9]

V současneacute době neexistujiacute elektrolyzeacutery vyvinuty speciaacutelně pro použitiacute s větrnyacutemi elektraacuternami nicmeacuteně rychlaacute reakce elektrochemickeacuteho systeacutemu na změny energie je dělaacute vhodnyacutemi pro zaacutetěž vyskytujiacuteciacute se při tomto spojeniacute

30

s větrnyacutemi rotory Vyacutepadky dodaacutevek elektřiny však mohou způsobit probleacutemy s koroziacute na elektrodaacutech pokud nejsou chraacuteněny polarizačniacutem proudem v přiacutepadě vyacutepadku dodaacutevky

24Uacutečinnost elektrolyacutezy

V literatuře existuje nejednotnost vyacutekladu co vlastně uacutečinnost elektrolyacutezy je a jak se určuje Autoři zmiňujiacute uacutečinnost energetickou uacutečinnost elektrickou uacutečinnost proudovou uacutečinnost elektrochemickou uacutečinnost Daacutele takeacute zaacutevisiacute zda se jednaacute o uacutečinnost celeacuteho systeacutemu nebo jednotlivyacutech člaacutenků[9][7]Nejobecnějšiacute definice energetickeacute uacutečinnosti elektrolytickeacuteho procesu je

Energetickaacute uacutečinnost = Energetickyacute vyacutestup Celkovaacute dodanaacute energie

V přiacutepadě konvenčniacute vodniacute elektrolyacutezy je energetickyacute vstup limitovaacuten velikostiacute dodaneacute elektrickeacute energie proto je energetickaacute uacutečinnost definovaacutena poměrem energie kteraacute může byacutet obnovena reoxidaciacute vodiacuteku a kysliacuteku za vzniku vody (vyacutehřevnost vodiacuteku) a energie dodaneacute systeacutemu prostřednictviacutem elektrickeacuteho proudu

Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy = Vyacutehřevnost Celkovaacute vstupniacute elektrickaacute energie

Podle teacuteto definice může uacutečinnost přesaacutehnout hodnotu 100 jelikož nebere v uacutevahu energii dodanou do procesu teplem Toto je přiacutepad kdy elektrolyzeacuter pracuje pod termoneutraacutelniacutem napětiacutem když teplo okoliacute je použito jako energetickyacute zdroj a definice jej nebere v uacutevahu [9] Na uacuterovni člaacutenku se energetickaacute uacutečinnost elektrolyacutezy vyjadřuje jako poměr termoneutraacutelniacuteho napětiacute UTN (při standardniacutech podmiacutenkaacutech UTN = 148 V) vůči skutečneacutemu napětiacute člaacutenku U vynaacutesobeno uacutečinnostiacute proudu Uacutečinnost proudu φP je jednoduše poměr počtu elektronů teoreticky potřebnyacutech pro pro vyacuterobu daneacuteho množstviacute vodiacuteku ku skutečneacutemu počtu elektronů dodanyacutech elektrickyacutem proudem potřebnyacutech k vyacuterobě daneacuteho množstviacute vodiacuteku Tato uacutečinnost je typicky kolem 999 Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy ηel je tedy vyjaacutedřena naacutesledujiacuteciacutem vztahem

V zaacutevislosti na zvoleneacutem typu elektrolyacutezy a pracovniacutemi podmiacutenkami se uacutečinnost pohybuje v rozmeziacute 75 - 95 Takto vysokeacute hodnoty uacutečinnosti platiacute pro elektřinu jako zdroj energie Pokud ovšem vezmeme elektřinu jako energetickyacute vyacutestup jineacuteho energetickeacuteho zdroje jako např uhliacute zemniacute plyn nebo zdroje obnovitelneacute energie tak celkoveacute uacutečinnost vyacuteroby vodiacuteku elektrolyacutezou klesne na hranici 30

25Napětiacute člaacutenků

Spotřeba energie elektrolyacutezy je přiacutemo spojena s napětiacutem na člaacutenku a nepřiacutemo s proudovou uacutečinnostiacute Jak už bylo zmiacuteněno dřiacuteve proudovaacute uacutečinnost se bliacutežiacute k hodnotě 100 tzn že důležityacutem parametrem při navrhovaacuteniacute elektrolytickyacutech člaacutenku je napětiacute na člaacutenku

ηel =UTN

UsdotϕP

31

Elektrolyacuteza vody za skutečnyacutech podmiacutenek vyžaduje napětiacute U ktereacute je podstatně vyššiacute než vratneacute napětiacute Urev Musiacute překonat elektrickyacute odpor v elektrodaacutech v elektrolytu mezi elektrodami a separaacutetoru Daacutele musiacute pokryacutet přepětiacute na elektrodaacutech Napětiacute na člaacutenku pak může byacutet vyjaacutedřeno

kde ηK je přepětiacute na katodě ηA je přepětiacute na anodě j je proudovaacute hustota a R je suma elektrickyacutech odporů založenaacute na aktivniacute ploše elektrod Elektrickyacute odpor v elektrodaacutech zaacutevisiacute na typu složeniacute materiaacutelu a teplotě Přepětiacute je určeno aktivitou plochy elektrod složeniacute elektrolytu a teplotou Ohmickyacute odpor spojenyacute s pohybem elektronů je v relativně nevyacuteznamnyacute v bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute představuje ale nezanedbatelnyacute vliv v přiacutepadě monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů [9]

26Vliv provozniacutech podmiacutenek

261Teplota

Zvyacutešeniacute teploty elektrolyacutezy snižuje vratneacute napětiacute UREV a tiacutem paacutedem i celkovou energii vstupujiacuteciacute do procesu Pokud teplota vzroste z 250degC na 1000degC vstupniacute elektrickaacute energie může byacutet sniacutežena o 25 Nicmeacuteně celkovaacute energie potřebnaacute k provedeniacute elektrolyacutezy při vysokeacute teplotě je o něco vyššiacute Vyacutehoda vysokeacute teploty v elektrolytickeacutem procesu je použitiacute tepla jako energetickeacuteho vstupu a tiacutem zvyacutešeniacute uacutečinnosti diacuteky zvyacutešeneacute kinetice procesu Pokud je zdroj tepla snadno dostupnyacute je všeobecně mnohem levnějšiacute než elektřina tento fakt pak může značně ovlivnit celkovou ekonomiku procesu [9]

262Tlak

Tlak při procesu elektrolyacutezy maacute takeacute vliv na energetickeacute požadavky pro vyacuterobu elektrolytickeacuteho vodiacuteku Vratneacute napětiacute při daneacute teplotě T a tlaku p může byacutet určeno z Nernstovi rovnice jako

kde R označuje univerzaacutelniacute plynovou konstantu n počet elektronů potřebnyacutech pro rozděleniacute molekuly vody (n=2) F pro Faradayovu konstantu a aktivita jednotlivyacutech molekul Urev T p=1 vratneacute napětiacute při teplotě T [K] a standardniacutem tlaku p=1 bar Aktivizačniacute koeficienty vodiacuteku aH2 a kysliacuteku aO2 mohou byacutet ziacuteskaacuteny z poměru tlaku vůči atmosferickeacutemu tlaku aH2=pH2p a aO2=pO2p Daacute se předpoklaacutedat že pH2=pO2=p protože tlak na Urev T p=1 kysliacutekoveacute i vodiacutekoveacute straně je stejnyacute Daacutele aktivita vody je přibližně rovna 1 a tlak p=1 bar pak dojde ke zjednodušeniacute Nernstovi rovnice na tvar

Pro teplotu T=298K napětiacute roste s tlakem podle tabulky 3

U =Urev +ηK +ηA + j sdotR

UrevT p =UrevT p=1 +R sdotTn sdotF

lnaH2 sdot(aO2 )

05

aH2O

UrevT p =UrevT p=1 +3sdotR sdotT4 sdotF

ln p

32

Tlak p [bar] 10 30 50 100 200

Urev T p=1 [mV] 44 65 75 89 102

Tab 3 Zaacutevislost reversibilniacuteho napětiacute na tlaku [7]

Elektrolyzeacuter pracujiacuteciacute při tlaku 10 barů při 155V by potřeboval pouze 1608 V pro praacuteci při 200 barech založeno na teoretickeacute uacutevaze kdy (155 V + (102 mV - 44mV))= 162 V Vysokyacute tlak sice zvyšuje teoretickeacute vratneacute napětiacute pouze o paacuter procent i tak je staacutele vyacutehodneacute ho použiacutet ve skutečnyacutech elektrolyzeacuterech a to z důvodu sniacuteženiacute spotřeby energie a to diacuteky zvyacutešeneacute efektivitě (snižuje pracovniacute napětiacute) a vyššiacute dosažitelneacute proudoveacute hustotě Vysokyacute tlak daacutele redukuje velikost plynovyacutech bublinek na plochaacutech elektrod tiacutem zvyšuje vyacutekon buňky Vyacutehody tak převaacutežiacute lehkeacute zvyacutešeniacute teoretickeacuteho napětiacute Hlavniacutem důvodem pro použitiacute vysokotlakeacuteho procesu elektrolyacutezy je ovšem absence potřeby stlačovaacuteniacute vodiacuteku po jeho produkci a tiacutem paacutedem sniacuteženiacute naacutekladů Elektrolyzeacutery dokaacutežiacute zajistit zvyacutešeniacute tlaku při relativně maleacute potřebě energie Malyacute pokles energetickeacute uacutečinnosti procesu vyvaacutežiacute eliminaci kompresoru při dalšiacutem zpracovaacuteniacute vodiacuteku Vysokyacute tlak kolem 400 barů může způsobit mechanickeacute probleacutemy na elektrolyzeacuteru a tiacutem zvyacutešit investičniacute naacuteklady

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku

Spotřeba energie elektrolytickyacutem člaacutenkem může byacutet určena přiacutemyacutem způsobem z pracovniacuteho napětiacute člaacutenku U a proudoveacute uacutečinnosti φP Počet elektronů e- potřebnyacutech pro ziacuteskaacuteniacute jednoho kilogramu vodiacuteku z vodniacute elektrolyacutezy je bez ohledu na pracovniacute podmiacutenky fixniacute a to 26589 kAh Tato hodnota vychaacuteziacute z faktu že 2 elektrony jsou potřeba k vytvořeniacute jedneacute molekuly vodiacuteku z vody zbylaacute čaacutest je jednoduchaacute konverze jednotek zohledněniacutem molaacuterniacute hmotnosti vodiacuteku

Specifickaacute energie elektrolyzeacuteru K v kWhkg H2 pak může byacutet určena pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

kde U je průměrneacute pracovniacute napětiacute jednoho člaacutenku a φi proudovaacute uacutečinnost Tato rovnice nezohledňuje energii potřebnou ke stlačeniacute vodiacuteku pokud je požadovaacuten tlak vyššiacute než kteryacute je na vyacutestupu z elektrolyzeacuteru Nezahrnuje ani malou čaacutest energie potřebnou k de-ionizaci vody a ke konverzi ze střiacutedaveacuteho na stejnosměrnyacute proud Každopaacutedně rovnice naacutem daacutevaacute dobrou představu o spotřebě energie pro samotnyacute elektrolyzeacuter V tabulce 4 jsou shrnuty zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

2eminus

H2

sdot 1000gH2

2016gH2 molH2

sdot 96487Cmol

sdot 1eminus

sdot 1kA1000C s

sdot 1h3600s

= 26589kAh

K = 26589 sdotUϕi

33

Alkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacuteza El pevneacuteho polymeru

Parniacute el

Technologie Konvenčniacute al el

Moderniacuteal el

Inorganickaacutemembraacutenaal el

Pevnyacutepolymer

Vysoko tep lo tn iacute elektrolyzeacuter

Napětiacute člaacutenku [V] 18 - 22 15 - 25 16 - 19 14 - 20 095 - 13

P r o u d o v aacute hustota[Acm2]

013 - 025 02 - 20 02 - 10 10 - 40 03 - 10

Teplota [degC] 70 - 90 80 - 145 90 - 120 80 - 150 900 - 1000

Tlak [bar] 1 - 2 až do 120 až do 40 až do 400 900 - 1000

Elektrolyt 25 - 35 KOH

25 - 40 KOH

14 - 15KOH

Flurosulfonovaacutekyselina Keramickyacute

Uacute č i n n o s t člaacutenku [] 77 - 80 80 - 90 85 - 95 85 - 98 90 - 99

S p o t ř e b a energie [kWhNm3 H2]

43 - 49 38 - 43 36 - 40 36 - 40 25 - 35

Tab 4 Zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

34

3Metody uskladněniacute vodiacuteku

Z důvodu pokrytiacute denniacutech a sezonniacutech rozdiacutelů mezi dostupnostiacute energie a požadavky na tuto energii musiacute byacutet vodiacutek skladovaacuten Vodiacutek může byacutet skladovaacuten v plynneacute formě kapalneacute formě a takeacute jako hydrid kovu Vodiacutek je velmi lehkyacute plyn s malou hustotou To znamenaacute že maleacute množstviacute vodiacuteku zabiacuteraacute velkyacute objem Ciacutelem tedy je zvyacutešit objemovou hustotu vodiacuteku Klasickeacute oceloveacute vysokotlakeacute oceloveacute naacutedoby jsou plněny až na tlak 200 barů Naacutedoby vyrobeneacute ze zesiacutelenyacutech uhliacutekovyacutech vlaacuteken mohou teoreticky uklaacutedat vodiacutek při tlaku až 600 barů prakticky byl dosažen tlak asi 450 barů Ciacutelem automobiloveacuteho průmyslu je však hodnota 700 barů pro skladovaacuteniacute plynneacuteho vodiacuteku při běžneacutem použiacutevaacuteniacute v automobilech To však požaduje vyacutevoj novyacutech kompozitniacutech materiaacutelů ktereacute odolajiacute vysokeacutemu tlaku a nestanou se při styku s vodiacutekem křehkyacutemi S vyššiacutem tlakem roste hustota ale samotnaacute komprese je velmi komplikovanyacute nebezpečnyacute a drahyacute proces Zvyacutešeniacute hustoty vodiacuteku lze takeacute dosaacutehnout zkapalněniacutem nebo převedeniacutem do pevneacuteho stavu Hustota tekuteacuteho vodiacuteku je cca 708 kgm3 v porovnaacuteniacute s hustotou vodiacuteku v pevneacutem stavu a to 706 kgm3 Kondenzačniacute teplota vodiacuteku je při tlaku 1 bar -252degC z toho vyplyacutevaacute že proces zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je velmi energeticky naacuteročnyacute Tekutyacute vodiacutek se tak použiacutevaacute pokud je nezbytneacute zajistit vysokou hustotu napřiacuteklad pro kosmickeacute aplikace[10] Vodiacutek je takeacute schopen vytvaacuteřet hydridy s některyacutemi kovy Vodiacutek v molekulaacuterniacute podobě je absorbovaacuten do atomoveacute mřiacutežky kovů Objemovaacute hustota takoveacuteho vodiacuteku je pak na uacuterovni vodiacuteku kapalneacuteho ale pokud vezmeme v potaz i samotnou hmotnost kovů pak je hustota mnohem nižšiacute V současneacute době je nejvyššiacute dosažitelnaacute hustota jen přibližně 007 kg H2kg kovu při vysokeacute teplotě Vodiacutek v pevneacutem stavu je nejbezpečnějšiacute cesta jak uskladnit energii zvlaacuteště pro stacionaacuterniacute a mobilniacute aplikace Hlavniacutem probleacutemem pro uskladněniacute vodiacuteku v pevneacutem stavu je samotnaacute vaacuteha naacutedržiacute vysokaacute desorpčniacute energie niacutezkaacute kinetika desorpce dlouhaacute doba nabiacutejeniacute vysokyacute tlak a přenos tepla Vodiacutek může byacutet skladovaacuten jako plyn při vysokyacutech tlaciacutech jako kapalina v kryogenniacutech zaacutesobniacuteciacutech jako plyn chemicky vaacutezanyacute (např v hydridech kovů) Na obraacutezku 14 je uveden objem vodiacuteku a hmotnost celeacuteho zařiacutezeniacute vztaženaacute k zmiacuteněnyacutem způsobům skladovaacuteniacute a daacutele v porovnaacuteniacute s benziacutenem metanolem a uchovaacutevaacuteniacutem energie v bateriiacutech (vztaženeacute na energetickyacute ekvivalent 990 000 Btu (1 044 500 kJ))

35

Obr 14 Objemoveacute a hmotnostniacute porovnaacuteniacute paliv odpoviacutedajiacuteciacutech energetickeacutemu ekvivalentu 990000 Btu [12]

Nejlepšiacute cestou skladovaacuteniacute vodiacuteku je jeho uloženiacute ve formě uhlovodiacutekovyacutech paliv ačkoliv tato varianta vyžaduje dodatečnyacute systeacutem jeho extrahovaacuteniacute Niacutezkaacute hustota vodiacuteku ve formě plynneacute i kapalneacute maacute za naacutesledek takeacute niacutezkou hodnotu hustoty energie Danyacute objem vodiacuteku tedy obsahuje meacuteně energie než stejnyacute objem jinyacutech paliv Proto se napřiacuteklad zvyšuje relativniacute skladovaciacute objem naacutedrže pro dosaženiacute daneacute dopravniacute vzdaacutelenosti Použitiacutem vodiacuteku v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků vyrovnaacutevaacuteme podmiacutenky s ostatniacutemi palivy tiacutem že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vyššiacute oproti uacutečinnosti spalovaciacutech motorů takže bude zapotřebiacute meacuteně paliva a tiacutem i energie k dosaženiacute stejneacuteho energetickeacuteho vyacutesledku [12] Přes niacutezkou objemovou energetickou hustotu disponuje vodiacutek nejvyššiacutem poměrem energie k hmotnosti ze všech paliv Avšak tuto vyacutehodu obvykle zastiňuje velkaacute hmotnost zaacutesobniacuteku a naacutevaznyacutech zařiacutezeniacute Většina zaacutesobniacuteků vodiacuteku je značně rozměrnyacutech a těžkyacutech mnohem viacutec než použiacutevaneacute naacutedrže pro benziacuten

36

či naftu [12] Existujiacute i dalšiacute noveacute metody uskladněniacute vodiacuteku jako aktivovanyacute povrch uhliacuteku pomociacute skleněnyacutech mikrokuliček a komplexů polyhydridů Tyto technologie zvyšujiacute objemovou hustotu skladovaacuteniacute vodiacuteku jsou ovšem staacutele vyviacutejeny a v průmyslu zatiacutem nebyly implementovaacuteny [11]

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu

Měrnaacute akumulačniacute kapacita vodiacuteku v plynneacutem stavu zaacutevisiacute na skladovaciacutem tlaku Při skladovaacuteniacute za normaacutelniacutech podmiacutenek je i přes vysokeacute spalneacute teplo vodiacuteku akumulačniacute kapacita relativně niacutezkaacute a to asi 128 MJm3 Pokud se tlak zvyacutešiacute na 10 MPa akumulačniacute kapacita pak bude 1200 MJm3 [10] Stlačenyacute vodiacutek se uskladňuje v tlakovyacutech lahviacutech podobnyacutech těm ktereacute jsou použiacutevaacuteny pro stlačenyacute zemniacute plyn Většina tlakovyacutech zaacutesobniacuteků maacute vaacutelcovyacute tvar s půlkulovyacutemi vypuklyacutemi dny V současneacute době je snaha budovat zaacutesobniacuteky uspořaacutedaneacute za sebou a deformovat vaacutelcovyacute tvar pro zvětšeniacute užitečneacuteho objemu Otvory ve středu půlkulovyacutech den pak umožňujiacute průtok plynu do tlakoveacute naacutedoby a jsou osazeny regulaacutetory a zaacutekladniacutemi prvky řiacutezeniacute průtoku Jeden osazenyacute koncovyacute prvek působiacute primaacuterně jako uzaviacuteraciacute ventil ačkoli obsahuje i pojistnyacute ventil a může daacutele obsahovat i sniacutemače teploty a tlaku pro měřeniacute veličin stavu plynu v zaacutesobniacuteku Druheacute osazeniacute je pak již složityacutem zařiacutezeniacutem ktereacute se sklaacutedaacute ze solenoidoveacuteho nebo elektromagnetickeacuteho ventilu manuaacutelniacuteho uzaviacuteraciacuteho ventilu jednosměrneacuteho ventilu a tlakoveacuteho pojistneacuteho ventilu [12] Elektromagnetickyacute ventil uzaviacuteraacute zaacutesobniacutek a izoluje naacutedobu v přiacutepadě že zařiacutezeniacute je mimo provoz Odstavovaciacute ventil uzavře průtok plynu ze zaacutesobniacuteku jestliže je průtok přiacuteliš velkyacute (např praskne-li trubka) Manuaacutelniacute uzaviacuteraciacute ventil umožňuje aby obsah zaacutesobniacuteku byl uzavřen nebo vypuštěn manuaacutelně v přiacutepadě poruchy elektromagnetickeacuteho ventilu Jednosměrnyacute ventil umožňuje plněniacute zatiacutemco elektromagnetickyacute ventil je uzavřen Pojistnyacute tlakovyacute ventil (na obou konciacutech vaacutelce) vypouštiacute obsah zaacutesobniacuteku v přiacutepadě kdy je vystaven působeniacute vysokyacutech vnitřniacutech tlaků či vysokyacutech okolniacutech teplot (např vystaveniacute ohni) Termiacutenem bdquovysokotlakyacute plynldquo obvykle označujeme plyn s tlaky vyššiacutemi jak 207 barg (3 000 PSIg) a to v přiacutepadě kdy hovořiacuteme o skladovaacuteniacute plynů

37

Obr 15 Konstrukce laacutehve Typu 3 [12] Tlaky vyššiacute jak 2 barg (30 PSIg) představujiacute dostatečnou hrozbu zraněniacute člověka a proto i o nich můžeme v terminologii hovořit jako o vysokyacutech Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky plynu musiacute byacutet konstruovaacuteny z tlustostěnnyacutech vysokopevnostniacutech materiaacutelů a musiacute byacutet velice trvaleacute Zaacutesobniacuteky jsou klasifikovaacuteny do čtyř typů v zaacutevislosti na použiteacutem konstrukčniacutem materiaacutelu viz tabulka 5 Obecně lze řiacuteci že čiacutem meacuteně použiteacuteho kovu tiacutem menšiacute hmotnost zaacutesobniacuteku Z tohoto důvodu je obvykle u vodiacutekovyacutech aplikaciacute použiacutevaacuten typ 3 na obraacutezku 15 V budoucnu však pravděpodobně ziacuteskaacute vyacutesadniacute postaveniacute typ 4 Specifickaacute hmotnost pak zaacutevisiacute individuaacutelně na vyacuterobě daneacuteho typu Jako referenčniacute objem bereme 35 ft3(100 l) U oceloveacuteho zaacutesobniacuteku typu 1 je hmotnost zaacutesobniacuteku přibližně 100 kg u typu 3 65 kg a v přiacutepadě typu 4 je hmotnost zaacutesobniacuteku cca 30 kg [12]

Typ lahve

Popis Hmotnostikovkompozit

Typ 1 Laacutehev kompletně z oceli a hliniacuteku 1000

Typ 2 Laacutehev s kovovyacutem pruhem z oceli čiacute hliniacuteku a s obručemi z kompozitniacuteho materiaacutelu

5545

Typ 3 Laacutehev zcela zabalenaacute do kompozitniacuteho materiaacutelu s tenkyacutemi vrstvami z oceli či hliniacuteku

2080

Typ 4 Laacutehev zcela zabalenaacute v kompozitniacutem materiaacutelu s plastickyacutemi vrstvami

0100

Tab 5 Klasifikace vysokotlakyacutech lahviacute na vodiacutek

38

Typ 3 ziacuteskaacutevaacute nejviacutece pevnosti z kompozitniacuteho obalu kteryacute je navinut kolem vnitřniacute vložky Kompozit se sklaacutedaacute z vysokopevnostniacutech vlaacuteken (obvykle uhliacutekatyacutech) jež jsou stmelena pryskyřiciacute (např epoxid) viz obraacutezek 15 Kombinace vlaacuteken a pryskyřice použiacutevaneacute pro tyto kompozitniacute zaacutesobniacuteky zaručujiacute extreacutemně vysokou odolnost Povrch kompozitu je meacuteně odolnyacute než povrch kovu a je viacutece naacutechylnyacute k fyzikaacutelniacutemu poškozeniacute (střih abraze naacuteraz atd) či chemickeacutemu poškozeniacute (čpavek kyseliny atd) avšak meacuteně naacutechylnyacute ke korozi Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky obvykle skladujiacute vodiacutek při 250 bar i když se zkoušejiacute zaacutesobniacuteky na provozniacute tlak 350 bar Současnyacute stav technologie jež je čaacutestečně ve stadiu vyacutevoje si dovoluje překračovat v testu roztrženiacute zaacutesobniacuteku hodnoty tlaku 1620 bar u zaacutesobniacuteku Typu 4 pak 700 bar Jakeacutekoliv plyny ktereacute se skladujiacute při těchto vysokyacutech tlaciacutech jsou extreacutemně nebezpečneacute a jsou schopny opouštět zaacutesobniacutek proudem plynu s explozivniacutemi uacutečinky sil nebo uvaacutedět do pohybu maleacute předměty jako projektily Neukotvenyacute zaacutesobniacutek se může změnit v raketu v přiacutepadě kdy plyn naacutehle začne proudit malyacutem otvorem Navzdory potenciaacutelniacutemu nebezpečiacute majiacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky velmi dobryacute stupeň bezpečnosti Provedeniacute zaacutesobniacuteku musiacute odpoviacutedat přiacutesnyacutem standardům a musiacute vydržet různeacute certifikačniacute testy Pro zajiacutemavost nesmiacute selhat během 13000 tlakovyacutech cyklech při 100 servisniacutem tlaku plus 5000 cyklů při 125 servisniacutem tlaku ani při 30 cyklech při 166 servisniacuteho tlaku Daacutele prochaacuteziacute testem na roztrženiacute zaacutesobniacuteku při 225 až 3 naacutesobku servisniacuteho tlaku Tlakovaacute laacutehev musiacute daacutele vydržet paacuted z vyacutešky naacuterazy naacuterazy kyvadlem a musiacute byacutet dokonce odolnaacute při vystaveniacute střelbě [12] Během vyacuteroby je každyacute zaacutesobniacutek vystaven hydrostatickyacutem tlakovyacutem testům a testům na těsnost vybraneacute zaacutesobniacuteky zadaneacute seacuterie jsou zkoušeny cyklickyacutemi a pevnostniacutemi testy uvedenyacutemi vyacutešeZaacutesobniacuteky jsou během vyacuteroby označeny je to jeden z nutnyacutech standardů vyacuteroby seacuteriovyacutem čiacuteslem servisniacutem a provozniacutem jmenovityacutem tlakem a datem zhotoveniacute U zaacutesobniacuteků jež nejsou vystavovaacuteny těžkyacutem externiacutem podmiacutenkaacutem a tlak plynu se pohybuje na jmenoviteacute hodnotě se očekaacutevaacute doba životnosti do 15 let nebo do 11 250 naplněniacute Inspekčniacute testy a testy těsnosti jsou rutinniacute součaacutesti uacutedržby Typickeacute mobilniacute aplikace použiacutevajiacute seacuterii zaacutesobniacuteků upevněnyacutech na společneacute rozvodneacute potrubiacute Při nominaacutelniacutem tlaku 250 bar systeacutem zaacutesobniacuteků vaacutežiacute asi čtyřikraacutet viacutece než srovnatelnyacute systeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute formě a zaujiacutemaacute viacutece než čtyřnaacutesobek prostoru V porovnaacuteniacute s benziacutenem je skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacute formě patnaacutectkraacutet naacuteročnějšiacute prostorově a třiadvacetkraacutet hmotnostně Řešeniacute probleacutemu pak vyžaduje napřiacuteklad pokrytiacute 50 střechy autobusu zaacutesobniacuteky vodiacuteku aby byly nahrazeny staacutevajiacuteciacute naacutedrže nafty Navzdory tomuto objemu je celkovaacute hmotnost vodiacuteku jen 40 až 50 kg a je zanedbatelnaacute v porovnaacuteniacute s hmotnostiacute zaacutesobniacuteků a externiacuteho vybaveniacute Skladovaacuteniacute plynu při ještě většiacutem tlaku daacutevaacute menšiacute skladovaciacute objem ale celkovaacute hmotnost zaacutesobniacuteku se přiacuteliš neměniacute jelikož zaacutesobniacuteky musiacute byacutet robustnějšiacute Současnyacute stav (2012) pro tento typ skladovaacuteniacute je 350 bar a hmotnostniacutem poměru 113 u zaacutesobniacuteku typu 4 Komprese plynu je energeticky naacuteročnyacute proces Čiacutem vyššiacute koncovyacute tlak tiacutem většiacute množstviacute energie je potřeba Avšak přiacuterůstek energie potřebneacute k dosaženiacute vyššiacuteho tlaku klesaacute takže počaacutetečniacute uacutesek zůstaacutevaacute energeticky intenzivnějšiacute čaacutestiacute procesu komprimaceVyvaacuteženiacute přiacuterůstku (snižovaacuteniacute) hustoty plynu při vyššiacutech tlaciacutech se staacutevaacute důležitou ekonomickou otaacutezkou v hospodařeniacute s energiiacute při vyššiacutech uacuterovniacutech komprese Užitečnou cestou k pochopeniacute energetickyacutech naacutekladů

39

na komprimaci je způsob jejich vyjadřovaacuteniacute procentem energie na komprimaci z celkoveacute energie obsaženeacute v zaacutesobniacuteku vodiacuteku Za teacuteto podmiacutenky je přibližnaacute spotřeba 5 z celkoveacute energie laacutetky v zaacutesobniacuteku při komprimaci na 350 bar Přesneacute množstviacute energie je samozřejmě zaacutevisleacute na průtoku a uacutečinnosti použiteacuteho kompresoru Ke skladovaacuteniacute vodiacuteku v podobě stlačeneacuteho plynu se využiacutevajiacute předevšiacutem podzemniacute poreacutezniacute zaacutesobniacuteky kolektory solneacute sloje či skalniacute dutiny Anglie a Francie majiacute dlouhodobou zkušenost na poli podzemniacuteho uskladněniacute vodiacuteku Britskyacute chemickyacute koncern ICI uskladňuje vodiacutek v třikraacutet pročištěneacute solneacute sloji v Teeside Vodiacutek je v teacuteto 366 m hlubokeacute sloji natlakovaacuten na 50 barů Od 1957 do 1974 GAZ DE FRANCE uskladňoval městskyacute plyn s obsahem vodiacuteku 50 v kolektoru s objemem 330 milioacutenů m3 Maleacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky jsou bez vyacutejimky provedeny jako nadzemniacute zařiacutezeniacute pro stlačenyacute plyn V průmysloveacutem sektoru se již vyskytla standardizace typů Vyacutesledkem jsou vaacutelcoviteacute zaacutesobniacuteky s maximaacutelniacutem provozniacutem tlakem 5 MPa a 28 m v průměrech ktereacute jsou k dostaacuteniacute s naacutesledujiacuteciacutemi deacutelkami (či vyacuteškami) 73 m (max obsah při 45 MPa je 1 305 Nm3) 108 m (max obsah 2 205 Nm3) a 19 m (max obsah 4 500 Nm3) V tomto přiacutepadě vyacutepočty pro energetickyacute obsah v hmotnostniacute či objemoveacute jednotce včetně samotneacuteho zaacutesobniacuteku vedou na hodnoty 024 ndash 031 kWhkg respektive 0135 kWhl [12] Podzemniacute zaacutesobniacuteky obdobneacute podzemniacutem zaacutesobniacuteků zemniacuteho plynu (v podzemniacutech kavernaacutech ve vodonosnyacutech vrstvaacutech ve vytěženyacutech ložisciacutech ropy apod) Skladovaacuteniacute vodiacuteku v těchto zaacutesobniacuteciacutech bude ovšem asi 3 x dražšiacute než skladovaacuteniacute zemniacuteho plynu převaacutežně kvůli menšiacute objemoveacute kapacitě vodiacuteku Nevyacutehoda takoveacuteho skladovaacuteniacute jsou ztraacutety ktereacute mohou dosaacutehnout až 3 procent ročně Tento typ uacuteložišť se již využiacutevaacute V Kielu se již od roku 1971 skladuje městskyacute plyn kteryacute obsahuje až 65 vodiacuteku v podzemniacutem zaacutesobniacuteku v hloubce 1330 m o objemu 32 000 m3 a tlaku 8 - 16 MPa [10] Nadzemniacute zaacutesobniacutekoveacute systeacutemy se běžně použiacutevajiacute v průmyslu zemniacuteho plynu v různyacutech rozměrovyacutech a tlakovyacutech uacuterovniacutech Běžneacute tlakoveacute lahve o objemu 50 litrů a tlaku 20 Mpa stacionaacuterniacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky s tlakem 20 MPa i většiacutem velkeacute kuloveacute zaacutesobniacuteky o objemu až 30 000 m3 a tlaku 12 - 16 Mpa Naacuteklady jsou u teacuteto metody dosti vysokeacute (komprese vysokotlakeacute naacutedoby) V přiacutepadě použitiacute v automobilu se tato metoda vykazuje rychlou dobou plněniacute a velkyacutem množstviacutem uskladněneacuteho vodiacuteku (na uacutekor bezpečnosti) Na plnou naacutedobu vodiacuteku vaacutežiacuteciacute okolo 40 kg s 39 kg vodiacuteku je auto schopno ujet až 600 km

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu

Systeacutemy skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute faacutezi překonaacutevajiacute mnoho probleacutemů spojenyacutech s objemem a hmotnostiacute při vysokotlakeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku avšak za cenu potřeby zajištěniacute kryogenniacutech teplot Kapalnyacute vodiacutek může byacutet skladovaacuten pod svyacutem bodem varu ktereacuteho za normaacutelniacutech podmiacutenek dosaacutehne při -252882 degC (20268 K) nebo takeacute bliacuteže podmiacutenek okolniacuteho tlaku v dvoustěnnyacutech super izolovanyacutech naacutedržiacutech neboli bdquodewarechldquo (Dewarovyacutech naacutedobaacutech) Tyto izolace jsou izolacemi vakuovyacutemi [12] Zaacutesobniacuteky tekuteacuteho vodiacuteku nepotřebujiacute vysokotlakeacute naacutedoby a proto nemusiacute byacutet tak robustniacute Vodiacutek nemůže byacutet skladovaacuten v zaacutesobniacuteciacutech neomezeně Všechny zaacutesobniacuteky bez ohledu na kvalitu izolace umožňujiacute transfer tepla mezi zaacutesobniacutekem a okoliacutem Velikost teplotniacute netěsnosti zaacutevisiacute na konstrukci a velikosti zaacutesobniacuteku

40

Tyto přiacutečiny přenosu tepla vedou k odpařovaacuteniacute vodiacuteku a zvyšovaacuteniacute tlaku Stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky kapalneacuteho vodiacuteku jsou stavěny nejčastěji ve formě kuloviteacute jelikož koule nabiacuteziacute nejmenšiacute povrch k daneacutemu objemu a proto nejmenšiacute plochu přestupu tepla [12] Zaacutesobniacuteky majiacute maximaacutelniacute konstrukčniacute přetlak kolem 5 bar v přiacutepadě že odběr vodiacuteku je menšiacute než jeho produkce a vypařovaacuteniacutem roste tlak v zaacutesobniacuteku až do hodnoty kdy je odveden pojistnyacutem ventilem Odplyněniacute sniacuteženiacute přetlaku tiacutemto způsobem neniacute jenom přiacutemou ztraacutetou využitelneacuteho paliva ale v přiacutepadě mobilniacutech jednotek i potenciaacutelniacute nebezpečiacute a to předevšiacutem v budovaacutech a garaacutežiacutech Současneacute automobiloveacute aplikace zaacutesobniacuteku kapalneacuteho vodiacuteku odvaacutedějiacute 1 až 2 za den Vodiacutek může byacutet čerpaacuten ze zaacutesobniacuteku buď jako kapalina nebo jako plyn V přiacutepadě že je použiacutevaacuten v jednotkaacutech s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem může byacutet kapalnyacute vodiacutek vstřikovaacuten přiacutemo do vaacutelce v zaacutevislosti na zvyšujiacuteciacutemsnižujiacuteciacutem se množstviacute spalovaneacuteho paliva a pracovniacutem zdvihu V přiacutepadě použitiacute v palivoveacutem člaacutenku plynnyacute vodiacutek může byacutet odčerpaacutevaacuten při odpoviacutedajiacuteciacutem tlaku pro zaacutesobovaacuteniacute daneacute reakce [12] Ačkoli skladovaacuteniacute kapalneacuteho vodiacuteku eliminuje nebezpečiacute spojenaacute s vysokotlakyacutem skladovaacuteniacutem plynů přinaacutešiacute daacutele nově vlastniacute nebezpečiacute spojenaacute s niacutezkyacutemi teplotami Vaacutežnaacute nebezpečiacute omrzlin existujiacute ve spojeniacute s kapalnyacutem vodiacutekem jeho paacuterami a kontaktniacutemi plochami Uhliacutekataacute ocel vystavenaacute teplotaacutem nižšiacutem -30 degC a to přiacutemo nebo nepřiacutemo se staacutevaacute křehkou a je naacutechylnaacute k lomu Vzduch může kondenzovat na povrchovyacutech plochaacutech ktereacute jsou podchlazeneacute může odkapaacutevat daacutele i na materiaacutely nebezpečneacute z pohledu vzniacuteceniacute požaacuteru nebo vyacutebuchu nebezpečiacute totiž spočiacutevaacute v naacutesledneacutem zvyacutešeniacute koncentrace [12] Zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je vzhledem k dosaacutehnutiacute extreacutemně niacutezkyacutech teplot energeticky velmi naacuteročnyacute intenzivniacute proces Zkapalňovaacuteniacute zahrnuje několik kroků Prvniacutem je komprese vodiacuteku v piacutestoveacutem kompresoru přechlazeniacute stlačeneacuteho plynu na teplotu zkapalněniacute dusiacuteku (-195 degC) naacutesleduje expanze přes turbiacutenu a posledniacutem krokem je katalytickaacute konverze na stabilniacute formu vodiacuteku Ve vyacutesledku je energie potřebnaacute k procesu zkapalněniacute ekvivalentem kteryacute překračuje 40 energetickeacute vztažneacute hodnoty vodiacuteku Kapalnou formu vodiacuteku lze relativně uacutečinně transportovat a lehce použiacutevat Je zřejmeacute že během zkapalňovaacuteniacute se vklaacutedajiacute do energie maximaacutelniacute investice a proto se jeviacute proziacuteraveacute skladovat a použiacutevat vodiacutek přiacutemo jako kapalinu kdykoli je to možneacute V zaacutevislosti na množstviacute zkapalňovaneacuteho vodiacuteku jsou použiacutevaacuteny různeacute zkapalňovaciacute metody Velkaacute zařiacutezeniacute obvykle využiacutevajiacute kombinace naacutesledujiacuteciacutech metod - turbiacutenovaacute Joule-Thomsonova či magnetokalorickaacute metoda Ve všech přiacutepadech je zkapalněniacute dosaženo kompresiacute naacutesledovaneacute určityacutem způsobem expanze buď nevratneacute využitiacutem škrtiacuteciacuteho ventilu či čaacutestečně vratneacute využitiacutem expanzniacuteho stroje Obvykle je použito 6 stupňů tepelneacuteho vyacuteměniacuteku přičemž prvniacute je chlazen tekutyacutem dusiacutekem V předposledniacutem kroku obstaraacutevaacute expanzi Joule-Thomsonův ventil Využitiacute magnetokalorickyacutech metod umožňuje přeměnu ortho-vodiacuteku na para-vodiacutek Po několika krociacutech je dosažen obsah para-vodiacuteku okolo 95 Para-vodiacutek maacute menšiacute energetickyacute obsah než ortho-vodiacutek[12] Způsob uskladněniacute kapalneacuteho vodiacuteku je obvykle proveden pomociacute uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků majiacuteciacutech perlitoveacute podtlakoveacute izolace V USA je mnoho obdobnyacutech zaacutesobniacuteků Největšiacute z nich patřiacute NASA a je situovaacuten na mysu Canaveral Tento zaacutesobniacutek maacute objem přibližně 3 800 m3 (přibližně 270 t LH2) Běžneacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky majiacute objemy od 1 500 l (přibližně 1 100 Nm3) až do 75 000 l

41

(přibližně 60 000 Nm3) V souvislosti s aktivitami tyacutekajiacuteciacutemi se dopravniacutech prostředků na vodiacutek byla v Německu vyvinuta malaacute přenosnaacute uskladňovaciacute zařiacutezeniacute Zaacutesobniacuteky pro automobily (umiacutestěneacute v testovanyacutech dopravniacutech prostředciacutech BMW) a autobusy (umiacutestěneacute v MAN-Bus SL202) jsou v současnosti vyraacuteběneacute pouze v maleacutem počtu Zaacutesobniacuteky pro autobusy se sklaacutedajiacute ze třiacute eliptickyacutech křiacutežiacuteciacutech se zaacutesobniacuteků každyacute o objemu 190 l odpoviacutedajiacuteciacute energetickeacutemu obsahu 450 kWh či 150 Nm3 plynneacuteho vodiacuteku při normaacutelniacutech podmiacutenkaacutech Dosažitelnaacute energetickaacute hustota je 45 kWhkg či 213 kWhl Zaacutesobniacuteky jsou konstruovaacuteny z 200 - 300 vrstev izolačniacutech foacuteliiacute dovolujiacuteciacutech odpařit okolo 1 zkapalněneacuteho plynu za den Nicmeacuteně toto množstviacute narůstaacute při spojeniacute několika zaacutesobniacuteků dohromady vlivem ztraacutet ve spojovaciacutem potrubiacute [12]

Obr 16 120 litrovaacute naacutedrž na tekutyacute vodiacutek firmy Linde [16]

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů

Systeacutemy skladovaacuteniacute v hydridech kovů se zaklaacutedajiacute na principu snadneacute absorpce plynu určityacutemi materiaacutely za podmiacutenek vysokeacuteho tlaku a miacuternyacutech teplot Tyto laacutetky pak uvolňujiacute vodiacutek jako plyn v přiacutepadě kdy jsou zahřiacutevaacuteny při niacutezkyacutech tlaciacutech a relativně vysokyacutech teplotaacutech V podstatě tyto materiaacutely kovy nasaacutevajiacute a uvolňujiacute vodiacutek jako bdquohoubaldquo Vyacutehoda skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů se soustřeďuje na skutečnost že vodiacutek se staacutevaacute součaacutestiacute chemickeacute struktury těchto kovů a proto daacutele neniacute požadovaacuten vysokyacute tlak nebo kryogenniacute teplota pro vlastniacute provoz [12] Vodiacutek se uvolňuje z hydridů pro použitiacute při niacutezkeacutem tlaku hydridy kovů jsou ve sveacute podstatě nejbezpečnějšiacute ze všech systeacutemů skladovaacuteniacute Existuje mnoho typů specifickyacutech hydridů kovů primaacuterně se však staviacute na kovovyacutech slitinaacutech hořčiacuteku niklu železa a titanu Hydridy kovů mohou byacutet rozděleny dle vysoko nebo niacutezkoteplotniacute desorpce vodiacuteku Vysokoteplotniacute hydridy jsou levnějšiacute a jsou schopneacute uchovaacutevat viacutece vodiacuteku než niacutezkoteplotniacute ale vyžadujiacute vyacuteznamně viacutece tepelneacute energie

42

pro uvolněniacute vodiacuteku Niacutezkoteplotniacute hydridy mohou na rozdiacutel od vysokoteplotniacutech hydridů ziacuteskat dostatek tepelneacute energie pro uvolněniacute vodiacuteku z vlastniacute jednotky ktereacute vyžadujiacute externiacute zdroj tepelneacute energie Niacutezkaacute teplota desorpce ve spojeniacute s niacutezkoteplotniacutemi hydridy může byacutet probleacutemem vzhledem k přiacuteliš snadneacutemu uvolňovaacuteniacute plynu za okolniacutech podmiacutenek K překonaacuteniacute těchto probleacutemů musiacute byacutet niacutezkoteplotniacute hydrid kovu pod tlakem čiacutemž vzrůstaacute komplikovanost procesu Typickeacute charakteristiky hydridů kovů jsou shromaacutežděny v tabulce 6

Charakteristika NiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacute VysokoteplotniacuteVysokoteplotniacuteVysokoteplotniacute

T i 2 N i -H25

F e T i -H25

VH-VH2 L a N i 5 -H67

M g C u -H3

M g 2 N i -H4

Mg-H

Množs tv iacute s l i t i ny absorbujiacuteciacute H2 []

161 187 192 155 267 371 825

Množstviacute hydridu s c h o p n eacute h o absorbovat energii jako z 1l benziacutenu [kg]

155 134 130 161 - 675 35

Množstviacute slitiny k akumulaci 25 kg vodiacuteku [kg]

217 188 182 225 - 95 50

Desorpčniacute teplota při tlaku 15 barg [degC]

-3 7 15 21 245 267 296

Doplňovaacuteniacute snadneacute - - těžkeacute - těžkeacute těžkeacute

Tab 6 Charakteristika použiacutevanyacutech hydridů kovu [12]

Hlavniacute nevyacutehodou skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů neniacute jen teplota a tlak nutnyacute pro extrakci vodiacuteku ale i jejich niacutezkaacute hustota energie Dokonce i ty nejlepšiacute hydridy obsahujiacute jen 8 hmotnostniacutech procent vodiacuteku Majiacute proto velkou hmotnost a naviacutec jsou draheacute Systeacutem s hydridem kovu může byacutet až třicetkraacutet těžšiacute a desetkraacutet objemnějšiacute než naacutedrž s benziacutenem stejneacuteho energetickeacuteho obsahu Dalšiacute nevyacutehodou systeacutemů na baacutezi hydridu kovu je nutnost použiacutevat jen velmi čistyacute vodiacutek jinak dojde ke kontaminaci hydridu s naacuteslednou ztraacutetou kapacity Kysliacutek a voda jsou prvotniacutemi činiteli jelikož se chemicky adsorbujiacute na povrch kovů a nahrazujiacute potenciaacutel vodiacutekovyacutech vazeb Sniacuteženiacute kapacity kontaminaciacute může byacutet do určiteacute miacutery reaktivovaacuteno teplem Dalšiacute probleacutemy spojeneacute s hydridy kovů souvisiacute s jejich strukturou Typickeacute provedeniacute se naleacutezaacute ve formě zrniteacute granulovaneacute nebo praacuteškoveacute struktury kteraacute tak poskytuje co největšiacute plochu pro kontakt s plynem Tyto čaacutestice jsou naacutechylneacute na abrazi jež u obojiacuteho vede k redukci jejich efektivity a může veacutest k ucpaacuteniacute profilu přepouštěciacutech ventilů nebo trubek Žaacutednyacute specifickyacute materiaacutel nemaacute vynikajiacuteciacute vlastnosti ve všech požadovanyacutech směrech (vysokaacute kapacita absorpce vysokaacute hustota energie malaacute potřeba tepla a niacutezkeacute naacuteklady) Z tohoto důvodu se použiacutevaacute směs různyacutech vysoko a niacutezkoteplotniacutech hydridů kdy se vyrovnaacutevajiacute vyacutehody a nevyacutehody různyacutech typů při různyacutech podmiacutenkaacutech provozu [12]

43

Obr 17 Vlastnosti vybranyacutech hydridů [8]

331 Hydridy alkalickyacutech zemin

Noveacute variace hydridů ktereacute nabiacutezejiacute vyacutehodnějšiacute vlastnosti oproti předchoziacutem metodaacutem se tyacutekajiacute peletizovanyacutech sodiacutekovyacutech drasliacutekovyacutech a lithnyacutech složek Tyto složky hydridů reagujiacute s vodou za vyacutevinu vodiacuteku bez nutnosti dodaacutevaacuteniacute tepelneacute energie Nejpokročilejšiacute komerčně vyviacutejenyacute systeacutem vyžaduje použitiacute hydroxidu sodneacuteho jenž je hojně k dispozici jakožto odpadniacute materiaacutel z průmysloveacute vyacuteroby papiacuteru plastu z ropneacuteho průmyslu a jinyacutech Hydroxid sodnyacute je převeden na hydrid sodnyacute(NaH) za přiacutevodu tepla naacutesledovně

2NaOH + tepenerrarr 2NaH +O2

NaH potom může byacutet peletizovaacuten tyto pelety se pokryacutevajiacute vodě-odolnyacutem plastem nebo povlakem Sodiacutek se tak staacutevaacute neaktivniacutem a lze ho potom jednoduše transportovat Pro uvolněniacute vodiacuteku je ochrannyacute povlak rozrušovaacuten a naacutesleduje reakce s vodou

NaH (s)+ H2O(l)rarr NaOH (l)+ H2 (g) Tato reakce probiacutehaacute poměrně rapidně a vodiacutek z teacuteto reakce maacute tlak kolem 8-10 bar Hydroxid sodnyacute lze ziacuteskat zpět a může byacutet opětovně použiacutevaacuten v procesu Vyacutehoda tohoto uchovaacutevaacuteniacute vodiacuteku oproti ostatniacutem hydridům je absence potřeby tepla pro uvolněniacute vodiacuteku Tento proces je relativně jednoduchyacute a z toho plyne i jednoduššiacute konstrukce takoveacuteho procesniacuteho zařiacutezeniacute Nevyacutehodou tohoto procesu jsou komplikace spojeneacute s mechanickyacutem rozrušovaacuteniacutem pelet kontrolovanyacutem způsobem a naacutesledneacute využitiacute odpadniacutech materiaacutelů kteryacute obklopuje odpadniacute hydroxid sodnyacute a použiteacute plastoveacute obaly pelet Proces využiacutevajiacuteciacute kombinaci generovaacuteniacute vodiacuteku a skladovaacuteniacute pro jednoraacutezoveacute použitiacute Stejně jako u elektrolyacutezy je vodiacutek

44

v hydridu sodneacutem nositel energie ne však jejiacute zdroj Hydroxid sodnyacute se nachaacuteziacute v niacutezkeacutem energetickeacutem stavu a musiacute byacutet přenesen do vyššiacuteho stavu pomociacute dodaacuteniacute tepelneacute energie

34 Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku

V současnosti se se zkoumajiacute dalšiacute skladovaciacute metody vodiacuteku jako je adsorpce na uhliacutekovyacutech poreacutezniacutech strukturaacutech skleněneacute mikrosfeacuterya oxidačniacute technologie železa Tyto metody jsou použiacutevaacuteny pouze laboratorněa jejich nasazeniacute do komerčniacute sfeacutery ještě nelze v bliacutezkeacute budoucnosti očekaacutevat

341 Uhliacutekovaacute adsorpce

Uhliacutekovaacute adsorpce je založena na slučitelnosti uhliacuteku a vodiacutekovyacutech atomů Vodiacutek je čerpaacuten do kontejnerů se substraacutetem malyacutech karbonovyacutech čaacutestic kde je vaacutezaacuten molekulaacuterniacutemi silami Tato metoda silně připomiacutenaacute metodu skladovaacuteniacute v hydridech kovů je ovšem zdokonalena v oblasti niacutezkyacutech teplot kde se uvažuje rozdiacutel mezi tekutyacutem vodiacutekem a chemickou vazbou Uhliacutek adsorbuje při teplotaacutech -185 až -85 degC a tlaciacutech 21 až 48 bar Velikost adsorpce uhliacutekem se zvyšuje s nižšiacutemi teplotami Teplo při překročeniacute teplotniacute hranice 150degC uvolňuje vodiacutek

342 Technologie uhliacutekovyacutech nanovlaacuteken

Laboratorniacute vyacutesledky ukazujiacute tuto metodu jako velmi nadějnou pro budouciacute použitiacute Vodiacutek uskladněnyacute ve sloučenině může dosaacutehnout až 70 celkoveacute vaacutehy sloučeniny Typickeacute hydridy kovů jsou schopny přijmout 2-4 vaacutehy sloučeninyv hmotnostně těžkeacute struktuře Pokud by tyto vyacutesledky byly reaacutelně prokaacutezaacuteny potom vozidla použiacutevajiacuteciacute vodiacutekoveacute palivoveacute člaacutenky budou schopny ujet až 5000 km bez potřeby doplněniacute paliva Tiacutem by se vyřešil probleacutem chybějiacuteciacute infrastruktury distribuce vodiacuteku Takoveacute palivo by se mohlo skladovat ve skladištiacutech nebo posiacutelat prostřednictviacutem přepravniacutech služeb

343 Skleněneacute mikrosfeacutery Systeacutemy skleněnyacutech mikrosfeacuter použiacutevajiacute maleacute skleněneacute sfeacutery (kuličky)s průměrem menšiacutem než 100 microm jež jsou schopny odolat tlakům až 1 000 MPa Vodiacutek je do nich nuceně vhaacuteněn velmi vysokyacutemi tlaky Jakmile je vodiacutek uskladněn kuličky je možno ponechat v podmiacutenkaacutech okolniacuteho prostřediacute bez ztraacutet vodiacuteku Přivedeniacute nevelkeacuteho množstviacute tepelneacute energie se uvolňuje vodiacutek zpět Pro zajištěniacute zvyacutešeniacute rychlosti uvolňovaacuteniacute vodiacuteku ze skleněnyacutech mikrosfeacuter se provaacutediacute experimenty i formou drceniacute kuliček [12]

344 Oxidace železa

Oxidace železa je proces při ktereacutem se vodiacutek vytvaacuteřiacute reakciacute poacuteroviteacuteho železa (surovaacute ingredience pro ocelaacuteřskeacute pece) s vodniacute paacuterou Reakce potom lze popsat naacutesledujiacuteciacutem rovnicemi

Fe+ H2Oharr FeO + H2

45

3FeO + H2Oharr Fe3O4 + H2

Vedlejšiacutem produktem tohoto procesu je rez Jakmile železo plně zkoroduje je potřeba ho vyměnit za noveacute Produkty reakce jsou přeměněny na původniacute formu Paacuteru a tepelnou energii potřebnou pro průběh reakce lze ziacuteskaacutevat pomociacute spalovaciacute jednotky nebo v přiacutepadě palivovyacutech člaacutenků z jejich chladiacuteciacuteho okruhu (meacutedia) Ačkoliv je ocel levnaacute jejiacute hmotnost činiacute tuto metodu nevyacutehodnou Efektivniacute hmotnost paliva vůči celkoveacute hmotnosti systeacutemu uskladněniacute je 45 Vlastniacute reakce probiacutehaacute při teplotě 80 - 200 degC

46

4Palivoveacute člaacutenky

Za objevitele principu palivoveacuteho člaacutenku je považovaacuten Sir William Grove přičemž datum objevu se datuje do roku 1839 Během konce 19 a počaacutetku 20 stoletiacute se vědci pokoušeli objevit noveacute typy palivovyacutech člaacutenků kombinujiacutece přitom různaacute paliva a elektrolyty Avšak většinou bezvyacutesledně Rozvoj v teacuteto oblasti nastal až kolem poloviny 20 stoletiacute v důsledku snah najiacutet alternativniacute zdroje pro vesmiacuterneacute lety Gemini a Apollo Ale i tyto pokusy byly zpočaacutetku neuacutespěšneacute Až roku 1959 předvedl Francis T Bacon prvniacute plně fungujiacuteciacute palivovyacute člaacutenek Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (PEM FC ndash Proton Exchange Membrane Fuel Cells) byly poprveacute použity společnostiacute NASA v roce 1960 jako součaacutest vesmiacuterneacuteho programu Gemini Tyto palivoveacute člaacutenky využiacutevaly jako reakčniacute plyny čistyacute kysliacutek a čistyacute vodiacutek Byly maleacute a draheacute (a tedy komerčně neefektivniacute) Zaacutejem NASA stejně jako energetickaacute krize v roce 1973 zvyacutešili zaacutejem o alternativniacute druhy ziacuteskaacutevaacuteniacute energie a tiacutem došlo k překotneacutemu vyacutevoji v oblasti palivovyacutech člaacutenků Předevšiacutem diacuteky tomuto tlaku našly tyto člaacutenky uacutespěšneacute uplatněniacute v různorodyacutech aplikaciacutech

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků Palivoveacute člaacutenky zpracovaacutevajiacute pouze čistyacute vodiacutek Teoreticky pracujiacute bez škodlivyacutech laacutetek Produktem reakce jsou kromě elektrickeacute energie takeacute vodaa teplo V přiacutepadě že palivoveacute člaacutenky využiacutevajiacute plynnou reformačniacute směs bohatou na vodiacutek vznikajiacute škodliveacute zplodiny avšak těchto zplodin je meacuteně než těch ktereacute vznikajiacute v přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem využiacutevajiacuteciacutech jako zdroj energie konvenčniacute fosilniacute paliva Motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem ktereacute spalujiacute směsi chudeacute na vodiacutek a vzduch jsou rovněž schopneacute dosaacutehnout niacutezkeacute hladiny škodlivin avšak u těchto strojů dochaacuteziacute současně ke spalovaacuteniacute mazaciacuteho oleje což maacute za naacutesledek naacuterůst škodlivyacutech emisiacute Palivoveacute člaacutenky pracujiacute s vyššiacute termodynamickou uacutečinnostiacute než tepelneacute motory Tepelneacute motory přeměňujiacute chemickou energii na teplo prostřednictviacutem spalovaacuteniacute a využiacutevajiacute toho že teplo konaacute praacuteci Se zvyacutešeniacutem teploty horkeacuteho plynu vstupujiacuteciacuteho do motoru a se sniacuteženiacutem teploty chladneacuteho plynu po expanzi se zvyacutešiacute i termodynamickaacute uacutečinnost Teoreticky lze tedy navyacutešit horniacute teplotu libovolnyacutem množstviacutem tepla dle požadovaneacute termodynamickeacute uacutečinnosti zatiacutemco dolniacute hranice teploty nemůže nikdy klesnout pod teplotu okoliacute Avšak ve skutečnyacutech tepelnyacutech motorech je horniacute teplota limitovaacutena použityacutemi materiaacutely Kromě toho motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem majiacute vstupniacute teplotu rovnu pracovniacute teplotě kteraacute je mnohem nižšiacute než teplota vzplanutiacute Palivoveacute člaacutenky nepoužiacutevajiacute proces spalovaacuteniacute jejich uacutečinnost neniacute spjata s jejich maximaacutelniacute provozniacute teplotou Vyacutesledkem je že uacutečinnost přeměny energie může byacutet vyacuterazně většiacute než skutečnaacute reakce spalovaacuteniacute Kromě vyššiacute relativniacute tepelneacute uacutečinnosti palivoveacute člaacutenky vykazujiacute takeacute vyššiacute uacutečinnost oproti tepelnyacutem motorům při jejich čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky nevykazujiacute ostreacute propady v uacutečinnosti jak je tomu v přiacutepadě velkyacutech elektraacuteren Tepelneacute motory dosahujiacute nejvyššiacute uacutečinnosti při praacuteci v navrhovaneacutem provozniacutem stavu a vykazujiacute rapidniacute poklesy uacutečinnosti při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky majiacute vyššiacute uacutečinnost při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute než při zatiacuteženiacute plneacutem Takeacute změny uacutečinnosti jsou v celeacutem provozniacutem rozsahu menšiacute Palivoveacute člaacutenky vykazujiacute dobreacute dynamickeacute charakteristiky Stejně jako baterie jsou takeacute palivoveacute člaacutenky pevnaacute statickaacute zařiacutezeniacute kteraacute reagujiacute na změny v elektrickeacute

47

zaacutetěži okamžitě změnami chemickyacutemi Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute na čistyacute vodiacutek majiacute vynikajiacuteciacute celkovou odezvu Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute s reformaacutetem (nejčastěji palivo na baacutezi uhlovodiacuteků) a využiacutevajiacute palubniacute reformer mohou miacutet tuto odezvu pomalou zvlaacuteště při použitiacute techniky parniacuteho reformingu (metoda zpracovaacuteniacute reformaacutetu nejčastěji za vzniku vodiacuteku a oxidů uhliacuteku) V přiacutepadě použitiacute palivovyacutech člaacutenků jako generaacutetorů elektrickeacute energie vyžadujiacute tyto člaacutenky meacuteně energetickyacutech přeměn než tepelneacute motory Jestliže budou použity jako zdroje mechanickeacute energie potom požadujiacute stejneacute množstviacute přeměn ačkoliv jednotliveacute transformace se odlišujiacute od těch jež probiacutehajiacute v přiacutepadě tepelnyacutech motorů Palivoveacute člaacutenky jsou vhodneacute pro mobilniacute aplikace pracujiacuteciacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech (typickeacute jsou teploty nižšiacute než 100 degC) Provoz při nižšiacutech teplotaacutech se vyznačuje většiacute bezpečnostiacute a kraacutetkyacutem zahřiacutevaciacutem časem Naviacutec termodynamickaacute uacutečinnost elektrochemickeacute reakce je podstatně vyššiacute než uacutečinnost přeměny energie chemickyacutech vazeb na energii elektrickou pomociacute tepelnyacutech motorů Nevyacutehodou se však jeviacute obtiacutežnyacute odvod odpadniacuteho tepla kteryacute musiacute byacutet zajištěn většiacutem chladiacuteciacutem systeacutemem a i přes vysokeacute provozniacute teploty pomalyacute proces elektrochemickeacute reakce Palivoveacute člaacutenky mohou byacutet použity v kogeneračniacutech aplikaciacutech Kromě elektrickeacute energie produkujiacute palivoveacute člaacutenky takeacute čistou horkou vodu a teplo Palivoveacute člaacutenky nevyžadujiacute dobiacutejeniacute avšak musiacute mu byacutet dodaacutevaacuteno palivo což je ovšem mnohem rychlejšiacute než dobiacutejeniacute bateriiacute Mohou takeacute poskytovat většiacute rozsah (delšiacute doba poskytovaacuteniacute elektrickeacute energie) v zaacutevislosti na velikost naacutedrže s palivem a oxidantem Palivoveacute člaacutenky majiacute niacutezkeacute opotřebeniacute a vysokou životnost (někteřiacute vyacuterobci udaacutevajiacute až desetitisiacutece hodin) Nejsou přiacutetomny pohybliveacute čaacutesti z čehož vyplyacutevaacute tichyacute chod palivovyacutech člaacutenků a schopnost snaacutešet i značnaacute přetiacuteženiacute Proti klasickyacutem elektrochem akumulaacutetorům použiacutevanyacutem v současnyacutech elektromobilech majiacute palivoveacute člaacutenky vyššiacute dojezdovou vzdaacutelenost Vyřazeneacute palivoveacute člaacutenky na rozdiacutel od akumulaacutetorů nezatěžujiacute životniacute prostřediacute těžkyacutemi kovy

42 Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků

Vodiacutek kteryacute je ekologicky prospěšnyacute se velmi obtiacutežně vyraacutebiacute a uskladňuje Současneacute vyacuterobniacute procesy jsou draheacute a energeticky naacuteročneacute naviacutec často vychaacutezejiacute z fosilniacutech paliv Efektivniacute infrastruktura dodaacutevky vodiacuteku nebyla ještě ani vytvořena Systeacutemy uskladňujiacuteciacute plynnyacute vodiacutek se vyznačujiacute obrovskyacutemi rozměry a obtiacutežnyacutem přizpůsobeniacutem energeticky niacutezkeacute objemoveacute hustotě vodiacuteku Systeacutemy uskladňujiacuteciacute tekutyacute vodiacutek jsou mnohem menšiacute a lehčiacute ovšem musiacute byacutet provozovaacuteny za kryogenniacutech teplot Možnost představuje takeacute uskladněniacute vodiacuteku pomociacute uhlovodiacuteků a alkoholů odkud může byacutet uvolňovaacuten dle požadavku diacuteky palubniacutemu reformeru Je pravdou že toto uskladněniacute manipulaci s vodiacutekem zjednodušiacute avšak některeacute ekologickeacute vyacutehody budou nenaacutevratně ztraceny (praacutevě diacuteky využitiacute uhlovodiacuteků či alkoholů a s tiacutem souvisejiacuteciacute emise COx) Palivoveacute člaacutenky požadujiacute čisteacute palivo bez specifickyacutech znečišťujiacuteciacutech laacutetek Tyto laacutetky jako jsou siacutera a uhliacutekoveacute sloučeniny či zbytkovaacute tekutaacute paliva (v zaacutevislosti na typu palivoveacuteho člaacutenku) mohou poškodit katalyzaacutetor palivoveacuteho člaacutenku čiacutemž přestaacutevaacute samotnyacute člaacutenek fungovat V přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem nezpomaluje ani jedna z těchto škodlivyacutech laacutetek samotnyacute proces spalovaacuteniacute

48

Palivoveacute člaacutenky se hodiacute pro automobiloveacute aplikace Ty jsou typickeacute svyacutem požadavkem platinoveacuteho katalyzaacutetoru pro podporu reakce při ktereacute se vyraacutebiacute elektrickaacute energie Platina je vzaacutecnyacute kov a je velmi drahaacute Za diacutelčiacute nevyacutehody lze poklaacutedat i skutečnost že vyacutekon odebiacuteranyacute z 1 cm2 elektrod je zatiacutem niacutezkyacute Palivoveacute člaacutenky produkujiacute v průběhu vyacuteroby elektrickeacute energie čistou vodu Většina palivovyacutech člaacutenků vhodnyacutech pro automobiloveacute aplikace takeacute využiacutevaacute jako reaktanty vlhkeacute plyny I nepatrnaacute zbytkovaacute voda v palivoveacutem člaacutenku může přitom způsobit nevratnou zničujiacuteciacute expanzi v přiacutepadě vystaveniacute mrazu Při provozu vyraacutebějiacute palivoveacute člaacutenky dostatečneacute teplo zabraňujiacuteciacute mrznutiacute při okolniacutech teplotaacutech pod bodem mrazu V přiacutepadě že jsou za mraziveacuteho počasiacute palivoveacute člaacutenky vypnuty musiacute byacutet trvale vyhřiacutevaacuteny či z nich musiacute byacutet kompletně odstraněna zbytkovaacute voda před tiacutem než člaacutenek zmrzne Z tohoto důvodu musiacute byacutet dopravniacute prostředek převezen do zahřiacutevaciacuteho zařiacutezeniacute nebo je nezbytně nutneacute instalovat v jeho bliacutezkosti horkovzdušneacute ohřiacutevaciacute zařiacutezeniacute Palivoveacute člaacutenky vyžadujiacute kontinuaacutelniacute odstraňovaniacute zplodin chemickyacutech reakciacute jejichž množstviacute zaacutevisiacute na velikosti odebiacuteraneacuteho proudu (odčerpaacutevaacuteniacute vody vodniacute paacutery či produktů oxidace) vyžadujiacute takeacute složiteacute řiacutediacuteciacute systeacutemy a uvedeniacute do provozu může trvat několik minut

43 Princip funkce palivovyacutech člaacutenků

Palivovyacute člaacutenek je ve sveacute podstatě zařiacutezeniacute ktereacute produkuje elektřinu po celou dobu kdy je mu dodaacutevaacuteno palivo V palivoveacutem člaacutenku dochaacuteziacute ke transformaci uloženeacute chemickeacute energie paliva do elektrickeacute energie Rozdiacutel mezi spalovaciacutem motorem a palivovyacutem člaacutenkem je daacuten rozdiacutelnyacutem způsobem přeměny energie Ve spalovaciacutem motoru dochaacuteziacute ke spaacuteleniacute paliva naacutesledneacutemu uvolněniacute tepla Teplo je daacutele přeměněno na mechanickou energii a teprve mechanickaacute energie je přeměněna na energii elektrickou Každaacute přeměna v tomto cyklu maacute za naacutesledek určitou ztraacutetu energie V kontrastu s tiacutemto cyklem palivoveacute člaacutenky fungujiacute velmi jednoduše a efektivně K produkci elektřiny dochaacuteziacute pomociacute chemickeacute reakce V jednoducheacutem palivoveacutem člaacutenku probiacutehajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 rarr 2H + + 2eminus

12O2 + 2H

+ + 2eminus rarr H2O

Protony prochaacuteziacute elektrolytem a na katodě se spojiacute s kysliacutekem nejčastěji vzdušnyacutem a utvořiacute tak vodu Elektrony jsou směrovaacuteny externiacutem okruhem kde vytvaacuteřejiacute stejnosměrneacute proud Tyto zařiacutezeniacute mohou dosaacutehnout uacutečinnost až 40 Palivoveacute člaacutenky jsou schopny pracovat nejen s čistyacutem vodiacutekem ale takeacute s reformovanyacutemi palivy jako je metan jelikož v nich neniacute oxid uhličityacute Vyacutekon systeacutemu palivovyacutech člaacutenků může byacutet popsaacuten zaacutevislostiacute proudu a napětiacute Je prezentovaacuten ve formě grafu nazvanyacutem proud-napěťovaacute křivka Vyacutestupniacute napětiacute je funkciacute proudu normalizovaneacute plochou člaacutenku udaacutevajiacuteciacute proudovou hustotu Ideaacutelniacute palivovyacute člaacutenek by dodal jakeacutekoliv množstviacute proudu při udrženiacute konstantniacuteho napětiacute určeneacuteho termodynamikou procesu V opravdoveacutem světě je skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute nižšiacute než termodynamicky určeneacute napětiacute ideaacutelniacute tento rozdiacutel je způsoben nevyhnutelnyacutemi ztraacutetami v systeacutemu Ztraacutety jsou kompenzovaacuteny dodaniacutem vyššiacuteho proudu palivovyacutem člaacutenkem

49

Čiacutem většiacute množstviacute proudu je potřeba ziacuteskat z palivovyacutech člaacutenků tiacutem většiacute jsou nevratneacute ztraacutety způsobujiacuteciacute pokles vyacutestupniacuteho napětiacute Existujiacute 3 hlavniacute typy ztraacutet v palivovyacutech člaacutenciacutech

1 Aktivačniacute ztraacutety - v důsledku elektrochemickeacute reakce2 Odporoveacute ztraacutety - v důsledku iontoveacuteho a elektronoveacuteho vedeniacute3 Koncentračniacute ztraacutety - v důsledku pohybu hmoty

Vyacutestupniacute napětiacute je tedy funkciacute termodynamicky předpoklaacutedaneacuteho napětiacute a jednotlivyacutech zraacutet a může byacutet vyjaacutedřeno naacutesledovně

V = Ethermo minusηakt minusηodp minusηkonc

kde V - skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute Ethermo - termodynamicky určeneacute napětiacute ηakt - aktivačniacute ztraacutety ηodp - odporoveacute ztraacutety ηkonc - koncentračniacute ztraacutety Vyacutekon palivoveacuteho člaacutenku je pak určen podle vztahu

P = i sdotVkde P - vyacutekon [W] i - proudovaacute hustota [Acm2] V - napětiacute [V] Dalšiacute charakteristikou palivoveacuteho člaacutenku je křivka vyacutekonoveacute hustoty kteraacute ukazuje vyacutekonovou hustotu dodanou palivovyacutem člaacutenkem jako funkci proudoveacute hustoty Schematicky je tato zaacutevislost znaacutezorněna na obraacutezku 18

Obr 18 Křivka vyacutekonoveacute hustoty [8]

Vyacutekonovaacute hustota palivoveacuteho člaacutenku roste s rostouciacute proudovou hustotou dosaacutehne maxima a poteacute dochaacuteziacute k poklesu při staacutele vysokeacute proudoveacute hustotě Palivoveacute člaacutenky jsou navrhovaacuteny pro praacuteci v nebo těsně pod maximem vyacutekonoveacute hustoty Při proudoveacute hustotě pod maximem vyacutekonoveacute hustoty se zlepšuje uacutečinnost

50

napětiacute ale klesaacute vyacutekonovaacute hustota Při proudoveacute hustotě vyššiacute než je maximum vyacutekonoveacute hustotě klesaacute uacutečinnost napětiacute a vyacutekonovaacute hustota Potenciaacutel systeacutemu vykonaacutevat elektrickou praacuteci je měřen pomociacute napětiacute normaacutelniacuteho stavu vratneacuteho napětiacute je

E0 = minus Δgrxn0

n sdotFkde Δg0rxn je změna Gibssovy volneacute energie n počet molů přenesenyacutech elektronů F Faradayova konstanta Při standardniacutech podmiacutenkaacutech je maximaacutelniacute napětiacute ziacuteskaneacute pro vodiacuteko-kysliacutekoveacute palivo rovnu 123 V Pro ziacuteskaacuteniacute použitelneacuteho napětiacute jsou tak palivoveacute člaacutenky spojovaacuteny do seacuteriiacute Vratneacute napětiacute palivoveacuteho člaacutenku vysoce na provozniacutech podmiacutenkaacutech jako je teplota tlak a chemickaacute aktivita Korelace napětiacute a teploty je reprezentovaacutena naacutesledujiacuteciacute rovniciacute

dEdT

= Δsn sdotF

kde Δs je změna entropie pro palivoveacute člaacutenky je entropie negativniacute vratneacute napětiacute maacute potom tendenci klesat s rostouciacute teplotou Napětiacute se měniacute se změnou tlaku podle vztahu

dEdp

= minus Δvn sdotF

kde Δv je změna objemu Změna vratneacuteho napětiacute s tlakem je spojena se změnou objemu reakce Pokud je změna objemu reakce zaacutepornaacute potom napětiacute roste s rostouciacutem tlakem Tlak a teplota majiacute minimaacutelniacute vliv na vratneacute napětiacute Chemickaacute aktivita maacute vyacuteznamnějšiacute vliv kteryacute se daacute určit pomociacute Nernstovi rovnice

E = E0 minus R sdotTn sdotF

lnaprodviprodareakviprod

Nernstova rovnice uvaacutediacute vztah mezi ideaacutelniacutem standardniacutem potenciaacutelem E0

pro reakci ve člaacutenku ideaacutelniacute rovnovaacutehou potenciaacutelu E při jinyacutech teplotaacutech a parciaacutelniacutem tlaku reaktantů a produktu Jakmile je znaacutem ideaacutelniacute standardniacute potenciaacutel lze určit i ideaacutelniacute napětiacute pro různeacute teploty a tlaky podle Nernstovi rovnice Z teacuteto rovnice pro vodiacutekovou reakci plyne že ideaacutelniacute potenciaacutel člaacutenku při daneacute teplotě může byacutet zvyacutešen pomociacute provozu za vyššiacuteho tlaku reaktantů Nernstova rovnice plně nevysvětluje vliv teploty

44 Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků

Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je funkce napětiacute člaacutenku Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je

ε termo =ΔGΔH

kde ΔG je Gibbsova volnaacute energie ΔH je entalpie Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku určena z tohoto vztahu se rovnaacute 83 Skutečneacute napětiacute při provozu palivoveacuteho člaacutenku je menšiacute než reversibilniacute potenciaacutel to maacute za naacutesledek že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vždy nižšiacute než teoretickaacute Tento jev je způsoben ztraacutetami při využitiacute paliva a ztraacutetami napětiacute Skutečnou uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku můžeme určit ze vztahu

51

ε skut = ε termo sdotεnapeti sdotε palivo

kde εtermo je reversibilniacute termodynamickaacute uacutečinnost člaacutenku εnapeti je uacutečinnost napětiacute a εpalivo ztraacutety při utilizaci paliva Uacutečinnost napětiacute zahrnuje ztraacutety způsobeny nevratnyacutem kinetickyacutem efektem v palivoveacutem člaacutenku Je to poměr mezi provozniacutem napětiacute palivoveacuteho člaacutenku V a termodynamickeacuteho reversibilniacuteho napětiacute člaacutenku E

εnapeti =VE

Uacutečinnost utilizace paliva vyjadřuje fakt že ne všechno palivo dodaneacute do člaacutenku se bude podiacutelet na elektrochemickeacute reakci Uacutečinnost je poměr paliva použiteacuteho na produkci daneacuteho množstviacute elektrickeacute energie ku celkoveacutemu množstviacute paliva dodaneacuteho do palivoveacuteho člaacutenku kde i je proud generovaacuten palivovyacutem člaacutenkem a vpalivo je rychlost dodaacutevaacuteniacute paliva do člaacutenku [molsec]

ε palivo =i n sdotFvpalivo

Kombinaciacute vztahů pro jednotliveacute uacutečinnosti dostaneme naacutesledujiacuteciacute vztah pro skutečnou uacutečinnost člaacutenku

ε skut =Δg

ΔhHHVsdotVEsdot i n sdotFvpalivo

Na obraacutezku 19 je porovnaacuteniacute uacutečinnostiacute jednotlivyacutech metod vyacuteroby elektrickeacute energie Z obraacutezku je jasně patrneacute že celkovaacute uacutečinnost palivovyacutech člaacutenku převyšuje ostatniacute způsoby vyacuteroby elektrickeacute energie

Obr 19 Uacutečinnost vyacuteroby elektrickeacute energie [8]

52

45Typy palivovyacutech člaacutenků

Jednotliveacute typy palivovyacutech člaacutenků se lišiacute předevšiacutem typem použiteacuteho elektrolytu Typ elektrolytu určuje provozniacute teplotu jež se pro různeacute typy palivovyacutech člaacutenků vyacuterazně lišiacute

451 Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech vyššiacutech než 600 degC (1100degF) Tyto vysokeacute teploty umožňujiacute samovolnyacute vnitřniacute reforming lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv jako je metan ndash na vodiacutek a uhliacutek za přiacutetomnosti vody Reakce probiacutehajiacuteciacute na anodě za podpory nikloveacuteho katalyzaacutetoru poskytuje dostatek tepla požadovaneacuteho pro proces parniacuteho reformingu Vnitřniacute reforming odstraňuje potřebu samostatneacuteho zařiacutezeniacute na zpracovaacuteniacute paliva a umožňuje palivoveacutemu člaacutenku zpracovaacutevat i jinaacute paliva než čistyacute vodiacutek Tyto vyacuteznamneacute vyacutehody vedou k naacuterůstu celkoveacute uacutečinnosti teacuteměř o 15 Během naacutesledujiacuteciacute elektrochemickeacute reakce je uvolňovaacutena chemickaacute energie kterou palivovyacute člaacutenek zpracovaacutevaacute Tato chemickaacute energie pochaacuteziacute z reakce mezi vodiacutekem a kysliacutekem při ktereacute vznikaacute voda Z reakce mezi oxidem uhelnatyacutem a kysliacutekem jejiacutemž produktem je oxid uhličityacute Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky produkujiacute takeacute vysokopotenciaacutelniacute odpadniacute teplo jež může byacutet použito pro uacutečely kogenerace Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky reagujiacute velmi snadno a bez potřeby drahyacutech katalyzaacutetorů z ušlechtilyacutech kovů Množstviacute energie uvolněneacute elektrochemickou reakciacute klesaacute s rostouciacute provozniacute teplotou člaacutenku Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky jsou naacutechylneacute na materiaacuteloveacute poruchy Maleacute množstviacute materiaacutelu je schopno po dlouho dobu při vysokyacutech teplotaacutech pracovat bez degradace Vysokoteplotniacute provoz neniacute vhodnyacute pro rozsaacutehleacute vyacuteroby nebo pro aplikace kde je požadovaacuten rychlyacute start zařiacutezeniacute Současneacute aplikace teacuteto metody se zaměřujiacute na stacionaacuterniacute elektraacuterenskeacute zdroje Nejvyacuteznamnějšiacutemi vysokoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů tzv MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů využiacutevajiacute elektrolytu kteryacute je schopen přenaacutešet uhličitanoveacute ionty CO3 2- od katody k anodě Elektrolyt se sklaacutedaacute z roztaveneacute směsi uhličitanu lithia a uhličitanu draselneacuteho Směs je udržovaacutena pomociacute kapilaacuterniacutech sil v keramickeacute podpůrneacute mřiacutežce z hlinitanu litneacuteho Při provozniacute teplotě se struktura elektrolytu změniacute na stav podobnyacute pastě kteraacute umožňuje uacuteniky plynů na okrajiacutech člaacutenku Tyto palivoveacute člaacutenky pracujiacute s teplotami okolo 650 degC a tlaky v rozmeziacute relativniacutech hodnot 1 až 10 barů Každyacute člaacutenek je schopen produkovat stejnosměrneacute napětiacute mezi 07 a 1 V Princip fungovaacuteniacute tohoto člaacutenku je na obraacutezku 20

53

Obr 20 Scheacutema člaacutenku MCFC [8]

Palivoveacute člaacutenky na baacutezi tekutyacutech uhličitanů jsou schopneacute provozu při zaacutesobovaacuteniacute jak čistyacutem vodiacutekem tak lehkyacutemi uhlovodiacutekovyacutemi palivy Palivo napřiacuteklad metan je dopraveno na anodu za přiacutetomnosti vody přijme teplo a podstoupiacute reakci parniacuteho reformingu

CH 4 + H2Orarr 3H2 +CO Pokud bude jako palivo použit jinyacute lehkyacute uhlovodiacutek potom se může počet molekul vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho změnit ale produkty reakce jsou v podstatě vždy stejneacute Reakce na anodě molekuly vodiacuteku s uhličitanovyacutem iontem probiacutehaacute bez ohledu na druh použiteacuteho paliva a vypadaacute naacutesledovně

H2 +CO32minus rarr H2O +CO2 + 2e

minus

Reakce probiacutehajiacuteciacute na katodě a to kysliacuteku s oxidem uhličityacutem probiacutehaacute opět bez ohledu na druhu paliva

O2 + 2CO2 + 4eminus rarr 2CO3

2minus

Iont CO3 2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě Dochaacuteziacute k reakci iontu CO3 2- jak s vodiacutekem tak oxidem uhelnatyacutem Elektrony prochaacutezejiacute přes elektrickou zaacutetěž nachaacutezejiacuteciacute se ve vnějšiacute čaacutesti elektrickeacuteho obvodu od anody ke katodě Celkovaacute reakce na člaacutenku je tedy

2H2 +O2 rarr 2H2O Vyacuteslednaacute reakce oxidu uhelnateacuteho ke ktereacute dochaacuteziacute pouze v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Produktem palivoveacuteho člaacutenku bez ohledu na palivo je voda V přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva je kromě vody produktem takeacute oxid uhličityacute Pro zajištěniacute plynulosti zajištěniacute kvality elektrochemickeacute reakce musiacute byacutet oba produkty plynule odvaacuteděny z katody člaacutenku

54

Mezi hlavniacute vyacutehody palivovyacutech člaacutenků s tekutyacutemi uhličitany patřiacute podpora samovolneacuteho vnitřniacuteho reformingu lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv vyacuteroba vysoko-potenciaacutelniacuteho tepla Samotnaacute reakce nepotřebuje katalyzaacutetory z ušlechtilyacutech kovů maacute velmi dobrou kinetiku a uacutečinnost Palivoveacute člaacutenky ovšem takeacute traacutepiacute mnoho nevyacutehod a provozniacutech omezeniacute Je potřeba vyvinou materiaacutely odolneacute vůči korozi při vysokyacutech teplotaacutech s malyacutem součinitelem objemoveacute roztažnosti ktereacute jsou vysoce mechanicky a tepelně odolneacute a jejichž vyacuteroba je technicky možnaacute Koroze je největšiacute probleacutem těchto člaacutenků Koroze způsobuje oxidaci niklu katody a jeho rozpuštěniacute v elektrolytu to může způsobit zhoršeniacute stavu separaacutetoru vysušeniacute či zaplaveniacute elektrod Korozniacute vlivy způsobujiacute pokles vyacutekonu a zkraacuteceniacute životnosti člaacutenku Rozměrovaacute nestaacutelost způsobenaacute objemovou roztažnostiacute může způsobit zničeniacute elektrod ktereacute změniacute povrch aktivniacute oblasti to může miacutet za naacutesledek ztraacutetu kontaktu a vysokyacute odpor mezi jednotlivyacutemi čaacutestmi člaacutenku Tekutyacute elektrolyt přinaacutešiacute probleacutemy s manipulaciacute člaacutenku Největšiacute nevyacutehodou je dlouhaacute doba potřebnaacute k rozběhu tento fakt tyto člaacutenky odsoudil do pozice použiacutevaacuteniacute pouze ve stacionaacuterniacutech aplikaciacutech

4511 Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů SOFC

Palivoveacute člaacutenky použiacutevajiacute elektrolyt schopnyacute veacutest kysliacutekoveacute ionty O-2 od katody k anodě je to opačnyacute směr než u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků jež vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je tvořen z pevnyacutech oxidů ktereacute majiacute podobu keramiky obvykle zirkonia (stabilizovaneacuteho dalšiacutemi oxidy kovů vzaacutecnyacutech zemin jako je ytrium) Člaacutenky jsou sestavovaacuteny postupnyacutem uklaacutedaacuteniacutem různyacutech vrstev materiaacutelu Běžnaacute uspořaacutedaacuteniacute použiacutevajiacute trubicoveacute či plocheacute tvary jednotlivyacutech člaacutenků Tvary ovlivňujiacute povrch člaacutenku a takeacute těsněniacute člaacutenku a to nejen v důsledku průsaku mezi kanaacutelky paliva a oxidantu ale takeacute vlivem elektrickeacuteho zapojeniacute jednotlivyacutech člaacutenků do bloku Pro materiaacutel elektrod mohou byacutet použity kovy typu niklu a kobaltu Palivoveacute člaacutenky SOFC pracujiacute s teplotami okolo 1000degC a relativniacutemi tlaky kolem 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 08 až 10 V

Obr 21 Scheacutema SOFC [18]

55

Palivoveacute člaacutenky mohou stejně jako MCFC člaacutenky pracovat jak s čistyacutem vodiacutekem tak uhlovodiacutekovyacutemi palivy Vstupniacute palivo se potom sklaacutedaacute jak z vodiacuteku tak z oxidu uhelnateacuteho Reakce na anodě jsou naacutesledujiacuteciacute

H2 +Ominus2 rarr H2O + 2eminus

CO +O2minus rarrCO2 + 2eminus

Reakce na katodě 1 2O2 + 2e

minus rarrO2minus

Iont O2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě vlivem chemickeacute přitažlivosti vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho Uvolněneacute elektrony prochaacutezejiacute vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě V tomto přiacutepadě se ionty pohybujiacute od katody k anodě což je opačnyacute pohyb než probiacutehaacute u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků Produkty reakciacute se tedy hromadiacute spiacuteše na anodě než na katodě Po spojeniacute reakciacute na anodě a katodě můžeme psaacutet vyacutesledneacute reakce člaacutenku

H2 +1 2O2 rarr H2OCO +1 2O2 rarrCO2

Palivoveacute člaacutenky SOFC tedy produkujiacute vodu bez ohledu na použiteacute palivo oxid uhličityacute v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet oba druhy reagentů plynule odvaacuteděny z katody Mezi hlavniacute vyacutehody těchto člaacutenků patřiacute opět umožněniacute samovolneacuteho reformingu uhlovodiacutekovyacutech paliv jelikož ionty kysliacuteku prochaacutezejiacute přes elektrolyt leacutepe než ionty vodiacuteku mohou byacutet tyto člaacutenky použity k oxidaci plynneacuteho paliva Dokaacutežiacute pracovat stejně dobře jak se suchyacutemi tak i vlhkyacutemi palivy Majiacute stejně jako MCFC velkou kinetiku reakce a vysokou uacutečinnost V porovnanaacute s MCFC člaacutenky mohou pracovat s vyššiacute proudovou hustotou a pevnyacute elektrolyt umožňuje snadnějšiacute manipulaci a možnost vyacuteroby rozličnyacutech tvarů a uspořaacutedaacuteniacute Nepotřebujiacute katalyzaacutetor z ušlechtilyacutech kovů Hlavniacute nevyacutehody jsou opět spojeny s vyacutevojem vhodnyacutech materiaacutelů Je zde nutnost vyacutevoje vhodnyacutech materiaacutelů ktereacute majiacute požadovanou vodivost jak elektrickou tak tepelnou a ktereacute zachovaacutevajiacute pevneacute skupenstviacute i při vysokyacutech teplotaacutech jsou chemicky slučitelneacute (kompatibilniacute) s ostatniacutemi čaacutestmi člaacutenku jsou rozměrově staacuteleacute majiacute vysokou mechanickou odolnost a jejichž vyacuteroba je dostatečně technicky zvlaacutednuta Mnoho materiaacutelů je možno použiacutet pro vysokeacute teploty aniž by změnily svoje skupenstviacute na jineacute než pevneacute Vybraneacute materiaacutely musiacute byacutet dostatečně husteacute aby zabraacutenily promiacutechaacutevaacuteniacute paliva s oxidačniacutemi plyny a musiacute miacutet dostatečnou podobnost charakteristik tepelnyacutech roztažnostiacute aby nedošlo k jejich štěpeniacute na vrstvy a k jejich praskaacuteniacute během tepelneacuteho cyklu SOFC palivoveacute člaacutenky jsou citliveacute na přiacutetomnost siacutery v palivu kteraacute nesmiacute překročit hodnotu 500 ppm Celkově je ovšem zatiacutem technologie SOFC nedostatečně vyspělaacute

56

452Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute obvykle s teplotami nižšiacutemi než 250 degC Tyto niacutezkeacute teploty neumožňujiacute vnitřniacute reforming paliva v důsledku čehož vyžadujiacute niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky vnějšiacute zdroj vodiacuteku Na druhou stranu vykazujiacute rychlyacute rozběh zařiacutezeniacute a trpiacute menšiacute poruchovostiacute konstrukčniacutech materiaacutelů Jsou takeacute mnohem vhodnějšiacute pro aplikace v dopravě Nejvyacuteznamnějšiacutemi niacutezkoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC alkalickeacute palivoveacute člaacutenky AFC palivoveacute člaacutenky s protonovou membraacutenou PEM FC a palivoveacute člaacutenky s přiacutemyacutem zpracovaacuteniacutem methanolu DMFC

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute s elektrolytem jenž je schopnyacute veacutest hydroxidoveacute ionty od katody k anodě I tento typ se lišiacute od většiny niacutezkoteplotniacutech člaacutenků ktereacute vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je složen z roztaveneacute alkalickeacute směsi hydroxidu draselneacuteho Elektrolyt může byacutet jak pohyblivyacute tak i pevnyacute Palivoveacute člaacutenky s nepohyblivyacutemi elektrolytem použiacutevajiacute tuhyacute elektrolyt jež je udržovaacuten pohromadě pomociacute kapilaacuterniacutech sil uvnitř poreacutezniacute podpůrneacute krystalickeacute mřiacutežky kteraacute je tvořena azbestem Hmota samotnaacute zajišťuje těsněniacute proti uacuteniku plynů na okraji člaacutenku Produkovanaacute voda se odpařuje do proudu zdrojoveacuteho vodiacutekoveacuteho plynu na straně anody kde současně dochaacuteziacute k jejiacute kondenzaci Odpadniacute teplo je odvaacuteděno přes obiacutehajiacuteciacute chladivo Alkalickeacute člaacutenky pracujiacute v rozmeziacute teplot 65 až 220degC a při relativniacutem tlaku okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vytvaacuteřet stejnosměrneacute napětiacute mezi 11 až 12 V Zjednodušeneacute scheacutema je na obraacutezku 22

Obr 22 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [18]

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky musiacute pracovat pouze s čistyacutem vodiacutekem bez přiacuteměsi oxidů uhliacuteku Na anodě se odehraacutevajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 + 2K+ + 2OH minus rarr 2K + 2H2O

2Krarr 2K + + 2eminusReakce na katodě jsou tyto

57

1 2O2 + H2Orarr 2OH

2OH + 2eminus rarr 2OH minus

Hydroxidoveacute ionty OH- prochaacutezejiacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem chemickeacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny obiacutehat vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě Sloučeniacutem anodovyacutech a katodovyacutech reakciacute můžeme napsat celkoveacute reakce pro alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

H2 + 2OHminus rarr 2H2 + 2e

minus

1 2O2 + H2O + 2eminus rarr 2OH minus

Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek produkuje vodu jež se odpařuje do proudu vstupujiacuteciacuteho vodiacuteku (v přiacutepadě systeacutemů s nepohyblivyacutem elektrolytem) či je odvaacuteděna z palivoveacuteho člaacutenku s elektrolytem (u systeacutemů s pohyblivyacutem elektrolytem) Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet tato voda z člaacutenku odvaacuteděna plynule Mezi vyacutehody AFC člaacutenků patřiacute niacutezkaacute provozniacute teplota rychleacute startovaciacute časy (při teplotě rovneacute teplotě okoliacute jsou schopny dodat 50 jmenoviteacuteho vyacutekonu) Člaacutenek je vysoce uacutečinnyacute a spotřebovaacutevaacute minimaacutelniacute množstviacute platinoveacuteho katalyzaacutetoru AFC se vyznačuje malou hmotnostiacute a objemem minimaacutelniacute koroziacute a relativně jednoduchyacutem provozem Mezi nevyacutehody patřiacute potřeba čisteacuteho vodiacuteku jako paliva relativně kraacutetkaacute životnost a potřeba složiteacuteho systeacutemu vodniacuteho hospodaacuteřstviacute Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem tvořenyacutem kapalnou kyselinou fosforečnou je schopen veacutest vodiacutekoveacute ionty (protony) H+ od anody směrem ke katodě Kyselina fosforečnaacute se nachaacuteziacute uvnitř krystalickeacute mřiacutežky tvořeneacute karbidem křemiacuteku (některeacute palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyselin použiacutevajiacute jako elektrolyt kyselinu siacuterovou) PAFC člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech od 150 do 205degC a s relativniacutem tlakem okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 11 V U PAFC člaacutenků reaguje vodiacutek s kysliacutekem Reakci na anodě můžeme popsat naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

Reakce na katodě maacute potom tento tvar1 2O2 + 2e

minus + 2H + rarr H2O Proton vodiacuteku prochaacuteziacute elektrolytem od anody směrem ke katodě na zaacutekladě přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny prochaacutezet vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem v opačneacutem směru Sloučeniacutem anodoveacute a katodoveacute reakce ziacuteskaacuteme obecnou reakci pro člaacutenek kterou můžeme popsat2H2 +O2 rarr 2H2O PAFC člaacutenky produkujiacute voda kteraacute se hromadiacute na katodě Abychom zajistili dostatečnou kvalitu reakce musiacute byacutet produktovaacute voda postupně ze člaacutenku odvaacuteděnaPAFC člaacutenky jsou schopny sneacutest vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho v palivu (až 30) a proto PAFC nepožadujiacute čištěniacute vzduchu jako okysličovadla a reformaacutetoru jako paliva Pracujiacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech i tak jsou tyto teploty o něco vyššiacute než u ostatniacutech niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenciacutech proto produkujiacute odpadniacute teplo o vyššiacutem potenciaacutelu ktereacute může byacutet využito v kogeneračniacutech aplikaciacutech

58

PAFC člaacutenky jsou naacutechylneacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu kteryacute nesmiacute přesaacutehnout 2 Daacutele jsou citliveacute na obsah siacutery v palivu maximaacutelniacute obsah siacutery by neměl překročit 50 ppm Tiacutem že se použiacutevaacute korozivniacute tekutyacute elektrolyt vznikajiacute probleacutemy s koroziacute konstrukčniacutech materiaacutelů PAFC jsou velkeacute a těžkeacute a nejsou schopny samostatneacuteho reformingu uhliacutekovyacutech paliv Je potřeba jednotku před provozem zahřaacutet a musiacute byacutet trvale udržovaacuteny na provozniacute teplotě Noveacute formy palivovyacutech člaacutenků s elektrolytem na baacutezi kyselin využiacutevajiacute pevnyacutech kyselinovyacutech elektrolytů Tyto člaacutenky jsou vyrobeny ze sloučenin typu CsHSO4 pracujiacute s teplotami až do 250 degC a s napětiacutem napraacutezdno (otevřeneacuteho obvodu) 111 V DC Daacutele nabiacutezejiacute vyacutehodu provozu bez vlhkosti při zmiacuterněniacute citlivosti na oxid uhelnatyacute a možnosti samostatneacuteho reformingu metanolu Trpiacute však degradaciacute vlivem obsahu siacutery velikou houževnatostiacute (tvaacuternostiacute) při teplotaacutech nad 125 degC a rozpustnostiacute ve vodě Vyacuterobniacute techniky pro praktickeacute využitiacute nebyly ještě vyvinuty

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami PEM FC

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (nebo teacutež člaacutenky s pevnyacutem polymerem) použiacutevajiacute elektrolyt jenž je schopnyacute veacutest protony H+ od anody ke katodě Elektrolyt je vytvořen z pevneacuteho polymerniacuteho filmu kteryacute se sklaacutedaacute z okyseleneacuteho teflonu Fyzicky je každyacute palivovyacute člaacutenek vytvořen z membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA - Membrane Electrode Assembly) jež se sklaacutedaacute z anody katody elektrolytu a katalyzaacutetorů Všechny čaacutesti jsou umiacutestěny mezi dvěma deskami vyrobenyacutemi z grafitu a označovanyacutemi jako bipolaacuterniacute desky (Flow Field Plates desky s kanaacutelky pro rozvod plynů paliva a okysličovadla) Tyto desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo k jednotlivyacutem stranaacutem membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA) Chladivo se použiacutevaacute k regulaci reakčniacute teploty palivoveacuteho člaacutenku Pro snadnějšiacute regulaci jsou mezi každyacute palivovyacute člaacutenek umiacutestěny chladiacuteciacute desky Tyto chladiacuteciacute desky rozvaacutedějiacute chladivo uvnitř palivoveacuteho člaacutenku za uacutečelem absorpce či dodaacutevky požadovaneacuteho tepla Těsněniacute mezi grafitovyacutemi deskami zajišťuje aby se proud okysličovadla paliva a chladiva uvnitř palivoveacuteho člaacutenku nepromiacutechal Elektrickeacute desky (koncoveacute elektrody člaacutenku) jsou umiacutestěny na uacuteplnyacutech konciacutech do seacuterie řazenyacutech bipolaacuterniacutech desek (Flow Field Plates) Tyto desky se spojujiacute se svorkami ze kteryacutech je ziacuteskaacutevaacutena elektrickaacute energie palivoveacuteho člaacutenku (stacku) V přiacutepadě velkyacutech palivovyacutech člaacutenků musiacute byacutet jednotliveacute desky stlačeny a sešroubovaacuteny dohromady pomociacute tyčiacute či spojeny jinyacutem mechanickyacutem způsobem Elektrody zprostředkovaacutevajiacute přechod mezi deskami s rozvodnyacutemi kanaacutelky a elektrolytem Musiacute umožnit průnik vlhkyacutem plynům poskytnout reakčniacute povrch v miacutestě styku s elektrolytem musiacute byacutet vodiveacute pro volneacute elektrony jež proteacutekajiacute od anody ke katodě a musiacute byacutet zkonstruovaacuteny ze vzaacutejemně slučitelnyacutech materiaacutelů Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute papiacuter s uhliacutekovyacutemi vlaacutekny poněvadž je poreacutezniacute hydrofobniacute (nesmaacutečivyacute) vodivyacute a nekorodujiacuteciacute Materiaacutel elektrod je velmi tenkyacute v důsledku maximalizace (vystupňovaacuteniacute) množstviacute dopravovaneacuteho plynu a vody Katalyzaacutetor se přidaacutevaacute na povrch každeacute elektrody na stranu elektrolytu za uacutečelem naacuterůstu rychlosti průběhu chemickeacute reakce Katalyzaacutetor podporuje chemickou reakci aniž by byl během teacuteto reakce spotřebovaacutevaacuten Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute platina neboť vykazuje vysokou elektro-katalytickou činnost chemickou stabilitu a elektrickou vodivost Platina je velmi drahaacute takže jejiacute množstviacute

59

(znaacutemeacute jako katalyzaacutetoroveacute naacuteklady) ovlivňuje cenu palivoveacuteho člaacutenku Konstrukteacuteři palivovyacutech člaacutenků usilujiacute o minimalizaci množstviacute použiteacute platiny za současneacuteho zachovaacuteniacute vyacutekonu palivoveacuteho člaacutenku Elektrolyt tvořiacute tenkaacute membraacutena z plastoveacuteho filmu jejiacutež tloušťka je obvykle od 50 do 175 microm (mikronů) Tyto membraacuteny se sklaacutedajiacute z fluorem dotovanyacutech siřičitanovyacutech kyselin ktereacute stejně jako teflonoveacute fluoro-uhliacutekoveacute polymery majiacute řetězec končiacuteciacute zbytkem kyseliny siřičiteacute (-SO3-2) Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami použiacutevajiacute totiž kyselyacute elektrolyt stejně jako palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute Všechny kyseleacute pevneacute elektrolyty vyžadujiacute přiacutetomnost molekul vody pro vodivost vodiacutekovyacutech iontů (protonů) poněvadž vodiacutekoveacute ionty se pohybujiacute společně s molekulami vody v průběhu vyacuteměnneacute iontoveacute reakce Podiacutel vody k vodiacutekovyacutem iontům u efektivniacute vodivosti je obvykle okolo 31 Z tohoto důvodu musiacute byacutet plyny v kontaktu s membraacutenou nasyceneacute vodou pro lepšiacute funkci palivoveacuteho člaacutenku Na molekulaacuterniacute uacuterovni maacute polymer trubicovitou strukturu ve ktereacute jsou skupiny siřičitanovyacutech kyselin na vnitřniacutem povrchu trubic Tyto skupiny poskytujiacute hydrofilniacute (majiacute přiacutechylnost k vodě lehce smaacutečitelneacute) potrubiacute pro vedeniacute vody Vnějšiacute čaacutesti trubic jsou z hydrofobniacuteho fluorovaneacuteho materiaacutelu Trubkoviteacute struktury se scvrkaacutevajiacute a přeskupujiacute s poklesy obsahu vody Při stlačovaacuteniacute (zužovaacuteniacute) těchto trubek během dehydratace rapidně klesaacute vodivost což vede k naacuterůstu odporu kontaktu mezi membraacutenou a elektrodou To může veacutest až k prasklinaacutem a diacuteraacutem v membraacuteně Všechny elektrolyty musiacute vykazovat zaacutekladniacute vlastnosti jimiž jsou vodič protonů elektronovyacute izolant (nejsou schopny veacutest elektrony) a separaacutetor plynů Vyacuterobci se takeacute snažiacute produkovat membraacuteny ktereacute majiacute odpoviacutedajiacuteciacute mechanickou pevnost rozměrovou staacutelost (odolnost vůči vybouleniacute) vysokou iontovou vodivost niacutezkou atomovou hmotnost (vaacuteha polymeru vztaženaacute k množstviacute kyselyacutech zbytků) a jsou snadno zhotovitelneacute Do jisteacute miacutery je možneacute mechanickou a rozměrovou staacutelost polymeru zajistit jeho včleněniacutem do membraacutenoveacuteho uskupeniacute jež poskytne podpůrnou strukturu

Obr 23 PEM člaacutenek firmy Horizon zdroj [19]

Bipolaacuterniacute desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo na obou vnějšiacutech stranaacutech membraacutenoveacuteho uskupeniacute Každaacute z těchto desek obsahuje kanaacutelky serpentinoviteacuteho tvaru ktereacute maximalizujiacute kontakt plynu s membraacutenovyacutem uspořaacutedaacuteniacutem Specifickyacute tvar kanaacutelků pro plyn je kritickyacute pro homogenniacute vyacuterobu elektrickeacute energie staacutelyacute vyacutekon člaacutenku a spraacutevnou funkci vodniacuteho hospodaacuteřstviacute člaacutenku Tvary bipolaacuterniacutech desek jsou vyraacuteběny v zaacutevislosti na použitiacute palivovyacutech člaacutenků Každaacute deska musiacute byacutet elektricky

60

vodivaacute Proud vznikajiacuteciacute během elektrochemickeacute reakce může teacuteci z jednoho člaacutenku do druheacuteho až k postranniacutem deskaacutem ze kteryacutech je elektrickaacute energie odebiacuteraacutena do vnějšiacuteho elektrickeacuteho obvodu Desky se obvykle vyraacutebějiacute z grafitu (uhliacuteku) přičemž kanaacutelky jsou vyrobeny technologiiacute obraacuteběniacute nebo lisovaacuteniacute Grafit se upřednostňuje jako materiaacutel pro svou vynikajiacuteciacute vodivost a relativně niacutezkeacute naacuteklady Je potřeba miacutet na paměti zvlhčovaacuteniacute reakčniacutech plynů v palivovyacutech člaacutenciacutech Bez zvlhčeniacute se nedosaacutehne požadovanaacute iontovaacute vodivost a může dojiacutet ke zničeniacute palivoveacuteho člaacutenku Množstviacute vody kteryacute je schopen plyn pojmout je zaacutevisleacute na teplotě při zvlhčovaacuteniacute Ciacutelem zvlhčovaacuteniacute je nasytit reakčniacute plyny co největšiacutem množstviacutem vodniacutech par Plyny jsou zvlhčovaacuteny při provozniacute teplotě palivoveacuteho člaacutenku Při zvlhčovaacuteniacute za vyššiacutech teplot může čaacutest vodniacutech par v palivoveacutem člaacutenku kondenzovat Vnitřniacute (interniacute) zvlhčovače se sklaacutedajiacute z přiacutedavnyacutech seacuteriiacutech grafitovyacutech desek začleněnyacutech do palivoveacuteho člaacutenku Tiacutemto dochaacuteziacute k rozděleniacute bloku palivoveacuteho člaacutenku na aktivniacute čaacutest kteraacute obsahuje palivoveacute člaacutenky a neaktivniacute čaacutest jež obsahuje desky zvlhčovače Desky zvlhčovače jsou obdobneacute bipolaacuterniacutem deskaacutem a využiacutevajiacute se k rozvodu plynu a vody po hydrofilniacute membraacuteně Voda se přemiacutesťuje přes membraacutenu a sytiacute omyacutevajiacuteciacute plyn Membraacuteny tohoto typu jsou již komerčně dostupneacute Vnitřniacute zvlhčovače odebiacuterajiacute vodu přiacutemo z chladiacuteciacuteho okruhu (z proudu chladiacuteciacuteho meacutedia) a vyuacutesťujiacute v jednoduchyacute integrovanyacute systeacutem s dobře propojenyacutemi teplotniacutemi charakteristikami Takoveacute uspořaacutedaacuteniacute předem vylučuje využitiacute jineacuteho chladiacuteciacuteho meacutedia než čisteacute vody Čistaacute voda naviacutec zhoršuje probleacutemy při startu palivoveacuteho člaacutenku neboť při niacutezkyacutech teplotaacutech může dojiacutet k jejiacutemu zamrznutiacute Kromě toho vede zakomponovaacuteniacute zvlhčovače do palivoveacuteho člaacutenku k naacuterůstu rozměrů palivoveacuteho člaacutenku a komplikuje jeho opravy neboť obě čaacutesti musiacute byacutet opravovaacuteny současně Vnějšiacute zvlhčovače se nejčastěji navrhujiacute jako membraacutenoveacute či kontaktniacute Membraacutenoveacute jsou založeny na obdobneacutem principu jako vnitřniacute zvlhčovače avšak jsou umiacutestěny odděleně Kontaktniacute zvlhčovače využiacutevajiacute principu rozprašovaacuteniacute zvlhčovaciacute vody na horkyacute povrch či do komory s velkou povrchovou plochou kterou proteacutekaacute jeden z reagujiacuteciacutech plynů Voda se potom odpařuje přiacutemo do plynu a způsobuje jeho nasyceniacuteVnějšiacute zvlhčovače mohou odebiacuterat vodu z chladiacuteciacuteho okruhu nebo mohou byacutet vybaveny samostatnyacutem vodniacutem okruhem Vyacutehody a nevyacutehody pro přiacutepad odběru vody z okruhu chladiacuteciacuteho meacutedia jsou stejneacute jako u vnitřniacutech zvlhčovačů V přiacutepadě zvlhčovače se samostatnyacutem vodniacutem okruhem může byacutet jako chladivo použito meacutedium s vyššiacutemi niacutezkoteplotniacutemi charakteristikami než maacute voda čiacutemž se však stane vzaacutejemnaacute vazba mezi teplotou zvlhčovače a palivoveacuteho člaacutenku daleko komplikovanějšiacute Bez ohledu na zdroj vody vede využiacutevaacuteniacute vnějšiacuteho zvlhčovače k nutnosti použitiacute samostatnyacutech součaacutestiacute ktereacute jsou pravděpodobně rozměrnějšiacute a takeacute mohutnějšiacute zvlaacuteště v přiacutepadě kontaktniacuteho zvlhčovače PEM člaacutenky pracujiacute s teplotami 70 až 90 degC a relativniacutem tlakem 1 až 2 bary Každyacute člaacutenek je schopnyacute generovat napětiacute okolo 11 V

61

Obr 24 Scheacutema PEM člaacutenku [18] V palivovyacutech člaacutenciacutech typu PEM spolu reagujiacute vodiacutek a kysliacutek Reakce na anodě a anodě probiacutehajiacute naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

1 2O2 + 2eminus + 2H + rarr H2O

Proton H+ prochaacuteziacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem vzaacutejemneacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou využity k oběhu od anody ke katodě přes vnějšiacute elektrickyacute obvod Sloučeniacutem reakciacute na anodě a katodě ziacuteskameacute celkovou reakci pro PEM člaacutenek

H2 +1 2O2 rarr H2O PEM člaacutenky dobře snaacutešiacute vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho jak v palivu tak okysličovadlu proto mohou PEM člaacutenky pracovat se znečištěnyacutem vzduchem jako okysličovadlem a reformaacutetorem jako palivem Tyto člaacutenky pracujiacute s niacutezkyacutemi teplotami což zjednodušuje požadavky na použiteacute materiaacutely umožňuje rychlyacute start a zvyšuje bezpečnost Je použit pevnyacute suchyacute elektrolyt to eliminuje naacuteroky na manipulaci s tekutinami snižuje pohyb elektrolytu a probleacutemy spojeneacute s jeho doplňovaacuteniacutem Elektrolyt neniacute korozivniacute tiacutem samozřejmě klesajiacute probleacutemy s koroziacute materiaacutelů PEM člaacutenky majiacute vysokeacute člaacutenkoveacute napětiacute vysokou proudovou a energetickou hustotu Pracovniacute tlaky jsou relativně niacutezkeacute a člaacutenek je schopen reagovat na proměnnost tlaku bez většiacutech probleacutemů Tvarově jsou PEM člaacutenky jednoducheacute kompaktniacute a mechanicky odolneacute PEM člaacutenky jsou citliveacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu (maximum je 50 ppm) jsou schopneacute sneacutest pouze několik ppm sloučeniny siacutery PEM člaacutenky požadujiacute zvlhčovaacuteniacute reakčniacuteho plynu zvlhčovaacuteniacute je energeticky naacuteročneacute a způsobuje naacuterůst rozměru celeacuteho systeacutemu Použitiacute vody pro zvlhčovaacuteniacute paliva limituje provozniacute teplotu palivoveacuteho člaacutenku na hodnotu nižšiacute než je teplota bodu varu vody čiacutemž se redukuje potenciaacutel využitelnyacute v kogeneračniacutech aplikaciacutech PEM člaacutenky použiacutevajiacute draheacute platinoveacute katalyzaacutetory a draheacute membraacuteny se kteryacutemi se obtiacutežně pracuje

62

46 Systeacutem palivovyacutech člaacutenků

Blok palivoveacuteho člaacutenků je jednotka pro přeměnu energie v systeacutemu palivoveacuteho člaacutenku Zdroj se sklaacutedaacute z množstviacute subsysteacutemů pro řiacutezeniacute a regulaci provozu palivoveacuteho člaacutenku Pomocneacute systeacutemy jsou požadovaacuteny pro systeacutem chlazeniacute člaacutenku dopravu a zvlhčovaacuteniacute reaktantů přenos elektrickeacuteho vyacutekonu člaacutenku monitorovaacuteniacute a řiacutezeniacute provozu popřiacutepadě uskladněniacute paliva a okysličovadla Systeacutemy palivovyacutech člaacutenků majiacute vyššiacute tepelneacute uacutečinnosti zvlaacuteště ty s malyacutemi rozměry či středniacutem zatiacuteženiacutem Praacutevě uacutečinnostniacute charakteristika poskytuje hlavniacute impuls pro současnyacute vyacutevoj palivovyacutech člaacutenků Zdroje s palivovyacutemi člaacutenky jsou schopneacute provozu s reformovanyacutemi fosilniacutemi palivy jakyacutem je metanol či zemniacute plyn Zdokonalenaacute tepelnaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku snižuje objem potřebneacuteho paliva a tiacutem zajišťuje i sniacuteženiacute znečišťovaacuteniacute životniacuteho prostřediacute Konfigurace provozniacute charakteristiky a celkovaacute systeacutemovaacute uacutečinnost zdrojů s palivovyacutemi člaacutenky se určuje předevšiacutem vyacuteběrem vhodneacuteho paliva a okysličovadla Nejefektivnějšiacute konfigurace zdrojů je založena na čistyacutech reaktantech - vodiacuteku a kysliacuteku Avšak pro většinu aplikaciacute je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku a kysliacuteku nepraktickeacute a proto se hledajiacute různeacute alternativy Napřiacuteklad vzduch se obvykle u systeacutemů s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM využiacutevaacute jako okysličovadlo pokud je to možneacute Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je sniacutežena v porovnaacuteniacute s provozem s čistyacutem kysliacutekem a znevyacutehodněniacute je ještě umocněno potřebou stlačovaacuteniacute vzduchu Tato znevyacutehodněniacute jsou takeacute většiacute než kompenzace provedenaacute přemiacutestěniacutem uskladněniacute okysličovadla ven ze zdroje Pro určiteacute aplikace je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku nepraktickeacute v důsledku jeho niacutezkeacute uskladňovaciacute hustoty a nedostatečneacute infrastruktury Tekutaacute paliva jako je metanol nafta a petrolej mohou byacutet reformovaacuteny na plyny bohateacute na vodiacutek ktereacute jsou využity pro provoz palivoveacuteho člaacutenku Zemniacute plyn pokud je dostupnyacute může byacutet takeacute využit v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků Reforming však snižuje celkovou uacutečinnost systeacutemu a zapřiacutečiňuje i naacuterůst rozměrů zdroje

461 Systeacutem vodiacutek vzduch

Suchozemskeacute systeacutemy s palivovyacutemi člaacutenky použiacutevajiacute obvykle jako okysličovadlo stlačenyacute vzduch Jako palivo může byacutet použita jakyacutekoliv z vyacuteše zmiňovanyacutech laacutetek avšak čistyacute vodiacutek je nejjednoduššiacute a nejuacutečinnějšiacute pro tyto podmiacutenky Vodiacutek jako palivo maacute relativně niacutezkou objemovou a hmotnostniacute hustotou uskladněniacute energie ve srovnaacuteniacute s tekutyacutemi palivy jež jsou v současnosti využiacutevaacuteny Kromě toho neniacute zde vybudovaacutena dostatečnaacute infrastruktura pro vstup vodiacuteku na světovyacute trh s energiemi A upřiacutemně v současneacute době relativniacuteho dostatku tekutyacutech paliv potřeba tuto infrastrukturu neniacute přiacuteliš velikaacute Zjednodušeneacute scheacutema zdroje na baacutezi palivovyacutech člaacutenků typu PEM použiacutevajiacuteciacute vodiacutek a vzduch je na obraacutezku 25 Vodiacutek je dopravovaacuten ze zaacutesobniacuteků Vodiacutek je zvlhčen a dodaacutevaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Plynovyacute kompresor tlakuje vodiacutek kteryacute z člaacutenku odchaacuteziacute (poměrnyacute obsah vodiacuteku je přibližně 15) jako přebytek paliva a vraciacute ho zpět do vstupniacute čaacutesti okruhu dodaacutevky paliva Čistota vodiacuteku je jedniacutem z nejdůležitějšiacutech požadavků z toho důvodu musiacute byacutet systeacutem velmi dobře uzavřen V systeacutemu anody je instalovaacuten odvzdušňovaciacute ventil kteryacute sloužiacute k periodickeacutemu odvodu nečistot ktereacute se nachaacutezejiacute ve vodiacutekoveacutem zaacutesobniacuteku Okolniacute vzduch je filtrovaacuten stlačen zvlhčen a dodaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Kondenzaacutetor odvaacutediacute produktovou vodu z vyacutestupu vzduchu rekuperačniacute tepelnyacute

63

vyacuteměniacutek ohřiacutevaacute proud vstupniacuteho vzduchu Popsanyacute systeacutem pracuje obvykle s tlakem okolo 2 barů Uzavřenaacute smyčka chladiacuteciacuteho okruhu je zaměstnaacutevaacutena udržovaacuteniacutem provozniacute teploty člaacutenků okolo 80 degC Kondenzaacutetor produktoveacute vody a zvlhčovač reaktantů se začleňuje do chladiacuteciacuteho systeacutemu V systeacutemu chladiacuteciacute vody je daacutele instalovaacuten deionizačniacute filtr z důvodu udrženiacute hladiny čistoty vody Člaacutenek je dokonale izolovaacuten aby se předešlo průsakům vody ven z člaacutenku a kontaminaci membraacuteny prostřednictviacutem nechtěnyacutech iontů Na elektrickeacutem vyacutestupu palivoveacuteho člaacutenku je neregulovaneacute stejnosměrneacute napětiacute Testovaacuteniacute zaacutetěže by se mělo provaacutedět pravidelně aby byly zajištěny dobreacute elektrickeacute podmiacutenky pro předpoklaacutedanou zaacutetěž

Obr 25 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a vzduchem [8]

462Systeacutem vodiacutek kysliacutek

V aplikaciacutech kde neniacute dostupnyacute vzduch jako je vesmiacuter nebo podmořskeacute prostřediacute může byacutet použit čistyacute vodiacutek kysliacutek jako okysličovadlo Kysliacutek je uskladněn jako stlačenyacute plyn či kryogenniacute tekutina Kysliacutek zabiacuteraacute určityacute objem a hmotnost celkoveacuteho energetickeacuteho systeacutemu Palivoveacute člaacutenky potom vykazujiacute většiacute vyacutekon většiacute napětiacute člaacutenku a celkovou uacutečinnost Odstraněniacute zařiacutezeniacute ke stlačovaacuteniacute vzduchu dochaacuteziacute v systeacutemu k poklesu hlučnosti a parazitickyacutech ztraacutet Obraacutezek 26 znaacutezorňuje typickyacute zdroj s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s čistyacutem vodiacutekem a kysliacutekem Je to v podstatě stejnyacute systeacutem jako v přiacutepadě systeacutemu se vzduchem Toky obou reaktantů jsou cirkulovaacuteny skrz palivovyacute člaacutenek pomociacute kompresorů se opětovně natlakujiacute na provozniacute tlak V přiacutepadě dostupnosti vhodnyacutech dopravniacutech tlaků z uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků reaktantů mohou byacutet kompresory nahrazeny čerpadly čiacutemž dojde k eliminaci parazitniacutech ztraacutet spojenyacutech s cirkulaciacute plynu Systeacutemy těchto palivovyacutech člaacutenků jsou obvykle konstruovaacuteny pro provoz

64

v uzavřeneacutem prostřediacute a mohou byacutet provozovaacuteny jako samostatneacute uzavřeneacute systeacutemy V ideaacutelniacutem přiacutepadě je jedinyacutem hmotnyacutem produktem voda Nečistoty ve vstupniacutem vodiacuteku a kysliacuteku postupně zvyšujiacute svou koncentraci v systeacutemu proto je nezbytneacute pravidelneacute čištěniacute Inertniacute čaacutesti paliva jsou vstřebaacutevaacuteny a odvaacuteděny prostřednictviacutem produktoveacute vody palivoveacuteho člaacutenku Potřeba přiacutedavneacuteho čištěniacute je určena požadavkem čistoty u zařiacutezeniacute na uskladněniacute reaktantů životnostiacute zdroje a provozniacutemi podmiacutenkami systeacutemu

Obr 26 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a kysliacutekem [8]

65

5 Instalace ve světě

V současnosti se spojeniacute větrneacute energie a vyacuteroby vodiacuteku použiacutevaacute velmi maacutelo Tento systeacutem maacute ovšem podle mnoha zdrojů obrovskyacute růstovyacute potenciaacutel Nabiacuteziacute jednu z alternativ pro teacuteměř 16 miliardy lidiacute na světě kteřiacute nemajiacute přiacutestup k elektrickeacute energii Trhy pro ktereacute je tato technologie zajiacutemaveacute již dnes jsou izolovaneacute oblasti vyspělyacutech staacutetů Tyto trhy použiacutevajiacute jako hlavniacute zdroj elektrickeacute energie diesel agregaacutety jsou tudiacutež vysoce zaacutevisleacute na dodaacutevkaacutech ropy Vodniacute elektrolyacuteza je použitelnaacute ve spojeniacute s fotovoltaickou a větrnou energiiacute Existuje dobraacute shoda mezi polarizačniacutemi křivkami obnovitelnyacutech zdrojů a elektrolyzeacuterů a mohou byacutet spojeny bez elektronickeacuteho sledovaacuteniacute vyacutekonovyacutech charakteristik při relativně vysokeacute uacutečinnosti Projekty využiacutevajiacuteciacute spojeniacute větrneacute energie již existujiacute Jeden z pilotniacutech projektů je umiacutestěn na ostrově Unst v severniacute čaacutesti Velkeacute Britaacutenie Ciacutelem tohoto projektu je demonstrovat jak větrnaacute energie spojenaacute s využiacutevaacuteniacutem vodiacuteku je schopna pokryacutet energetickeacute potřeby pěti obchodniacutech jednotek v odlehleacute oblasti Větrnaacute energie na Shetlandech nabiacuteziacute velmi dobreacute možnosti pro jejiacute využitiacute nevyacutehodou větrnyacutech podmiacutenek na tomto ostrově je jejich nepředviacutedatelnaacute povaha Pro zajištěniacute stabilniacuteho a spolehliveacuteho dodaacutevaacuteniacute energie je potřeba zajistit dobreacute řiacutezeniacute toku teacuteto energie a skladovaacuteniacute Elektrickaacute siacuteť je na ostrově ve velmi špatneacutem stavu a neumožňuje připojeniacute dalšiacuteho pevneacute připojeniacute z obnovitelnyacutech zdrojů Každyacute novyacute systeacutem musiacute byacutet připojen nezaacutevisle na siacuteti nebo miacutet zajištěn dostatečnou kapacitu pro uskladněniacute energie z těchto zdrojů Na ostrově jsou umiacutestěny 2 větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 15 kW V čase niacutezkeacuteho odběru obchodniacutech jednotek nebo naopak při vysokeacute produkci je přebytek energie použit v elektrolyzeacuteru kteryacute potřebuje přibližně 2-7 kW denniacute produkce vodiacuteku dosahuje přibližně 2 kg vodiacuteku Vodiacutek je uložen ve vysokotlakyacutech naacutedobaacutech a daacutele použiacutevaacuten jako alternativa fosilniacutech paliv Systeacutem je vybaven zaacuteložniacutem zdrojem obsahuje 5 kW palivoveacute člaacutenky a měnič kteryacute převaacutediacute stejnosměrnyacute proud z elektrolyzeacuteru na proud střiacutedavyacute

Obr 27 Scheacutema systeacutemu instalovaneacuteho v Unstu

66

Prvniacutem miacutestem kde došlo v roce 2004 k instalaci vyacuteznamnějšiacuteho autonomniacuteho systeacutemu využiacutevajiacuteciacuteho větrneacute elektraacuterny pro produkci vodiacuteku a jeho naacutesledneacutemu použitiacute pro vyacuterobu elektrickeacute energie je norskyacute ostrov Utsira V pilotniacutem projektu bylo vybraacuteno 10 domaacutecnostiacute do kteryacutech se dodaacutevaacute elektrickaacute energie vyacutehradně z větrneacute energie Ve větrneacutem počasiacute větrneacute elektraacuterny dodaacutevajiacute elektřinu přiacutemo Když produkce elektřiny přesaacutehne aktuaacutelniacute požadavky domaacutecnostiacute je přebytečnaacute elektřina použita pro produkci vodiacuteku v elektrolyzeacuterech Vodiacutek je daacutele stlačen a uložen do tlakovyacutech naacutedob V přiacutepadě že je viacutetr přiacuteliš slabyacute nebo naopak silnyacute a větrneacute elektraacuterna neniacute schopna dodaacutevat elektrickou energii palivoveacute člaacutenky začnou spotřebovaacutevat uskladněnyacute vodiacutek a dodaacutevat elektrickou energii do domaacutecnostiacute Tento systeacutem je schopen dodaacutevat elektrickou energii domaacutecnostem až po dobu 3 dnů v přiacutepadě nedostupnosti větrneacute energie Utsira je velmi větrnyacutem ostrovem kteryacute se jevil jako ideaacutelniacute miacutesto pro pilotniacute projekt tohoto typu Na ostrově byly instalovaacuteny dvě turbiacuteny Enercon E40 každaacute s kapacitou 600 kW Jedna z turbiacuten produkuje elektřinu přiacutemo do siacutetě zatiacutemco druhaacute je připojena do samostatneacuteho systeacutemu a vyacutekon je sniacutežen na 150 kW aby leacutepe odpoviacutedala poptaacutevce Pro stabilizaci nestabilniacute obnovitelneacute energie se použiacutevaacute setrvačniacutek s kapacitou 5 kWh a 100 kVA hlavniacute synchronniacute motor ktereacute vyrovnaacutevajiacute a ovlaacutedajiacute napětiacute a frekvenci Přebytečnaacute energie je uklaacutedaacutena pomociacute elektrolyzeacuteru firmy Hydrogen Technologies s maximaacutelniacutem zatiacuteženiacutem 48 kW 5 kW kompresoru Hofer a tlakovyacutech naacutedob o objemu 2400 Nm3 při tlaku 200 bar Při nedostatku energie z větru se tato potřebnaacute energie dodaacutevaacute pomociacute 5 IRD palivovyacutech člaacutenků o celkoveacutem vyacutekonu 55 kW

Obr 28 Scheacutema projektu v Utsiře

Projekt byl v provozu nepřetržitě po dobu 4 let viacutece než 50 času byly pro dodaacutevaacuteniacute energie použiacutevaacuteny palivoveacute člaacutenky Kvalita dodaacutevky elektrickeacute energie byla dobraacute nebyly hlaacutešeny žaacutedneacute stiacutežnosti I přes uacutespěšnou demonstraci kvality projektu byly odhaleny vyacutezvy ktereacute je potřeba překonat pro zajištěniacute uacutespěchu teacuteto technologie 20 Utilizace větrneacute energie odhalila potřebu pro vyacutevoj uacutečinnějšiacutech elektrolyzeacuterů stejně tak jako zlepšeniacute uacutečinnosti konverze vodiacuteku na elektřinu Palivoveacute člaacutenky v průběhu provozu trpěly určityacutemi probleacutemy jako byl uacutenik chladiciacute kapaliny ze člaacutenku Palivoveacute člaacutenky trpěly takeacute rapidniacute degradaciacute vydržely sotva 100 hodin provozu Tyto probleacutemy spojeneacute s niacutezkou uacutečinnostiacute konverze vodiacuteku zvyacutešili

67

pravděpodobnost že vodiacutek během klidneacuteho větru může dojiacutet Cena a spolehlivost palivovyacutech člaacutenků se musiacute vylepšit aby byl projekt tohoto typu komerčně uacutespěšnyacute Bylo takeacute doporučeno aby budouciacute projekty zahrnovaly viacutece obnovitelnyacutech zdrojů energie Uacutespěch projektu na ostrově Utsira demonstruje uskutečnitelnost kombinace obnovitelneacuteho zdroje energie a vodiacuteku v odlehlyacutech lokalitaacutech a noveacute možnosti použitiacute elektrolyzeacuterů v budouciacutech energetickyacutech systeacutemech Ekonomicky bude tento projekt daacutevat smysl pouze při dalšiacutem vyacutevoji součaacutestiacute systeacutemu je předpoklad že by tato podmiacutenka mohla byacutet splněna za 5 až 10 let

Obr 29 Projekt kombinujiacuteciacute větrnou energii a vodiacutek na ostrově Utsira [20]

68

6Přiacutepadovaacute studie

61Vyacuteběr lokace

Souhrnnaacute dlouhodobaacute data o větru v jedneacute lokaci je velmi složiteacute ziacuteskat Lokace pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny se vybiacuteraacute podle podrobneacute lokaacutelniacute větrneacute mapy jejiacutemž autorem je v Českeacute republice ČHMUacute Naacutesleduje faacuteze měřeniacute rychlosti větru přiacutemo v miacutestě potenciaacutelniacuteho umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Pravidelneacute měřeniacute směru a siacutely větru provaacutediacute ČHMUacute na svyacutech meteorologickyacutech staniciacutech Profesionaacutelniacutech stanic existuje 38 6 stanic spravuje armaacuteda a dalšiacutech 179 je stanic je dobrovolnickyacutech Vzhledem k uacuteplnosti dat jsem se v praacuteci rozhodl použiacutet data z meteorologickeacute stanice na letišti v Mošnově Stanice je primaacuterně určena pro informovaacuteniacute leteckeacuteho personaacutelu o počasiacute v bliacutezkosti letiště Diacuteky vstřiacutecnosti miacutestniacutech meteorologů jsem ziacuteskal data o rychlosti větru v roce 2006 Stanice je umiacutestěna přiacutemo na letištniacute ploše ve vyacutešce 3 m Samotneacute letiště Mošnov ležiacute v severovyacutechodniacute čaacutesti Českeacute republiky 20 km od města Ostravy Data

jsou umiacutestěna v souboru programu Excel jako přiacuteloha 1 Měřeniacute je provaacuteděno nepřetržitě a je vypočiacutetaacutevaacuten 15 sekundovyacute průměr kteryacute sloužiacute jako informace pro piloty Statisticky se zaznamenaacutevajiacute 3 měřeniacute denně Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny jsou potřebneacute dvě důležiteacute informace a to průměrnaacute rychlost větru vstr a standardniacute odchylka σw Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov vstr= 3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1

62 Větrnaacute turbiacutena

Pro tuto praacuteci bylo vybraacuteno jako vhodneacute řešeniacute použitiacute dvou stejnyacutech relativně menšiacutech větrnyacutech turbiacuten firmy Enercon Jmenovityacute vyacutekon turbiacuteny je 330 kW Pro uchyceniacute trojlisteacuteho rotoru o průměru 33 m je použit 50 m ocelovyacute stožaacuter Elektraacuterna je bezpřevodovkovaacute s proměnlivyacutemi otaacutečkami rotoru ktereacute se mohou pohybovat v rozmeziacute 15-45 otmin Hlavniacute ložiska jsou jednořadaacute kuželiacutekovaacute Enercon dodaacutevaacute vlastniacute generaacutetor Jednaacute se o prstencovyacute generaacutetor kteryacute je přiacutemo pohaněnyacutesynchronniacute s variabilniacute frekvenciacute Elektraacuterna je daacutele vybavena brzdou rotoru aretaciacute rotoru a třemi soběstačnyacutemi systeacutemy nastavovaacuteniacute listů s nouzovyacutem zdrojem Startovaciacute rychlost je 25 ms-1 jmenovitaacute rychlost 12 ms-1 a odpojovaciacute rychlost je 12 ms-1 Tabulka 7 uvaacutediacute hodnoty jmenoviteacuteho vyacutekonu elektraacuterny při danyacutech rychlostech větru

Rychlost větru [ms]

Vyacutekon [kW]

Kapacitniacute faktor [-]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 5 137 30 55 92 138 196 250 293 320 335 335 335 335

0 035 040 045 047 050 05 05 047 041 035 028 023 018 015

Tab 7 Vyacutekonoveacute charakteristiky turbiacuteny E33 [21]

69

Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny se potom určiacute pomociacute vyacutepočtu v programu Mathcad tento vyacutepočet je součaacutestiacute přiacutelohy 2 Pro určeniacute vyacutekonoveacute křivky použijeme tabulku 7 zobrazujiacuteciacute rychlost větru a jemu odpoviacutedajiacuteciacute vyacutekon Data proložiacuteme křivkou spline kteraacute je aproximaciacute tabulkovyacutech hodnot Použijeme funkci cspline kteraacute je v programu Mathcad definovaacutena Vyacuteslednaacute křivka je potom zobrazena na obraacutezku 30 Křivka je určena pro teplotu t=15degC a nadmořskou vyacutešku h=0 m

Obr 30 Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny E33

63 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov

Celyacute vyacutepočet je umiacutestěn v přiacuteloze 2 Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr= 3596 ms-1 standardniacute odchylky σw=254 ms-1 a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 1459

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 3969

Spektrum rozloženiacute hustoty rychlostiacute větru v daneacute lokalitě se popisuje pomociacute Weibullovy pravděpodobnostniacute funkce grafickeacute zobrazeniacute je na obraacutezku 31

70

f x( ) = kcsdot xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdotexp minus xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

Obr 31 Weibullova funkce pro letiště Mošnov

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě mošnovskeacuteho letiště je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 3 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 015 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 682m sdot sminus1

Rozdiacutel v průměrnyacutech rychlostech je převaacutežně způsoben působeniacutem mezniacute vrstvy u povrchu Země Hustota vzduchu v miacutestě instalace značně ovlivňuje vyacuteslednyacute vyacutekon větrneacute elektraacuterny proto je potřeba ji v celkoveacutem vyacutepočtu zohlednit Hustota vzduchu ρ [kgm3] je zaacutevislaacute předevšiacutem na teplotě t [degC] a nadmořskeacute vyacutešce Z [m] dle vztahu

ρ = 33505t + 2731

sdotexp minus981sdotZ287 sdot(t + 2731)

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

71

Dalšiacute veličinou kterou je před samotnyacutem vyacutepočtem určit je kapacitniacute faktor CFA [-] Kapacitniacute faktor je jinyacutem naacutezvem součinitel využitiacute a určuje zastoupeniacute času při ktereacutem jsou schopny větrneacute elektraacuterny byacuteti v provozu Tento součinitel zaacuteviacutesiacute na typu větrneacute elektraacuterny daacutele pak na maximaacutelniacute rychlosti větru Uf [ms] minimaacutelniacute rychlosti větru Uc [ms] naacutevrhoveacute rychlosti větru Ur [ms] a Weibullovyacutech faktorech c a k dle naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 029

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Mošnově použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 257 m průměrnaacute teplota t= 65 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=682 ms Pnom se potom rovnaacute 8447 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obraacutezku 32

Obr 32 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro mošnovskou lokalitu Pav= 24 445 W Ročniacute průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 24445 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na letišti v Mošnově je potom Pwf=44691 kW Tato hodnota je na vyacutekon 330kW elektraacuterny velmi niacutezkaacute instalace tedy postraacutedaacute ekonomickyacute smysl a je potřeba určit jineacute umiacutestěniacute instalace Dalšiacutem faktorem znemožňujiacuteciacutem instalaci větrnyacutech elektraacuteren je složitost stavebniacuteho řiacutezeniacute Vzhledem k ochraně letištniacuteho provozu by stavba musela splňovat velmi složitaacute kriteacuteria a byacutet umiacutestěna v dostatečneacute vzdaacutelenosti od letištniacute draacutehy kde už nemusejiacute rychlosti větru odpoviacutedat rychlostem měřenyacutem meteorologickou staniciacute přiacutemo

72

na letišti

64 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce

Obec Noveacute Dvorce na hranici Olomouckeacuteho a Moravskoslezskeacuteho kraje byla vybraacutena jako alternativniacute lokalita splňujiacuteciacute zaacutekladniacute požadavek o průměrneacute ročniacute rychlosti větru V lokalitě Červeneacuteho kopce kteryacute je v bliacutezkosti obce Noveacute Dvorce je umiacutestěno již v současneacute době 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele větrneacuteho parku a to firmy Větrnaacute energie HL sro je v lokalitě Červeneacuteho kopce průměrnaacute rychlost větru vstr= 74 ms-1 standardniacute odchylka σw=35 ms-1 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny v teacuteto lokalitě probiacutehaacute analogicky jako v předešleacute kapitole Prvniacute je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr standardniacute odchylky σw a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu Mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 2225

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 8355

Graf Weibullovy funkce je pro lokalitu Noveacute Dvorce je zobrazen na obraacutezku 32

Obr 32 Weibullova funkce pro lokalitu Noveacute Dvorce

73

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě Novyacutech Dvorců je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 10 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 025 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 10372m sdot sminus1

Kapacitniacute faktor je potom určen podle analogickeacuteho vztahu jako v předešleacute kapitole pro Noveacute Dvorce je kapacitniacute faktor teacuteměř dvojnaacutesobnyacute což znamenaacute zvyacutešeniacute celkoveacuteho vyacutekonu dodaacuteveneacuteho elektraacuternami

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 0474

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Novyacutech Dvorciacutech použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 580 m průměrnaacute teplota t= 73 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=10372 ms Pnom se potom rovnaacute 2467 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obr

Obr 34 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro lokalitu Noveacute Dvorce Pav= 116 845 W Ročniacute

74

průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 116845 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na Červeneacutem kopci je potom Pwf=23369 kW Vypočiacutetanyacute vyacutekon je průměrně dostupnyacute 1500 hodrok jak uvaacutediacute zdroj [2] Celkovaacute elektrickaacute energie vyprodukovanaacute za 1 rok se určiacute dle vztahu

W = PWT sdot1500 = 3505 times105 kWh rok

Takto vysokaacute hodnota je daacutena předevšiacutem vhodnostiacute vybraneacute lokality kapacitniacute faktor CFA se tudiacutež bliacutežiacute nejvyššiacutem hodnotaacutem kteryacutech je elektraacuterna E33 schopna dosaacutehnout a to CFAmax= 05

65 Elektrolyzeacuter

Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutemu rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute Po uvaacuteženiacute předešlyacutech informaciacute byl pro aplikaci vybraacuten vysokotlakyacute elektrolyzeacuter NELP40 firmy Norsk Hydro Elektrolyzeacuter NELP40 maacute vyacutejimečnyacute dynamickyacute rozsah a to mezi 10 až 100 instalovaneacuteho vyacutekonu při zachovaacuteniacute vysokeacute čistoty vodiacuteku Rychlost vyacuteroby vodiacuteku okamžitě reaguje na rychleacute změny přiacutekonu což je ideaacutelniacute vlastnost pro spojeniacute s větrnou energiiacute Elektrolyzeacuter je pod delšiacute dobu schopen byacutet v režimu stand-by což umožňuje okamžiteacute obnoveniacute vyacuteroby vodiacuteku v přiacutepadě dobryacutech větrnyacutech podmiacutenek Tabulka 8 ukazuje provozniacute charakteristiky tohoto elektrolyzeacuteru

Jmenovitaacute Kapacita

Dynamickyacute rozsah kapacity

Vyacutestupniacute tlak

Čistota vodiacuteku

40 Nm3hod (36 kghod)

10 - 100 jmenoviteacute kapacity

16 bar g (232 psi g)

999

75

Naacuteběhovyacute čas ze stand-by do max kapacity

Reakce na dynamickou změnu zatiacuteženiacute

Okolniacute teplota

Kontrolniacute systeacutem

Elektrolyt

Potřebneacute napět

Frekvence zdroje

Spotřeba energie na Nm3 H2

Spotřeba vody na Nm3 H2

Vyacutekon potřebnyacute k maximaacutelniacute produkci

Vodivost vody

Průtok chladiacuteciacute vody

Teplota chladiacuteciacute vody

lt 3 sekundy

lt 1 sekunda

-20degC - +40degC

automatickyacute daacutelkovyacute monitoring a ovlaacutedaacuteniacute

32 vodnyacute roztok KOH

400 V

50 Hz

48 KWh

09 litru

192 kW

lt 5 microScm

15 m3hod při max kapacitě

lt 25degC

Tab 8 Provozniacute charakteristiky NELP40 [5]

Pro vyacutepočet celkoveacuteho množstviacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku danyacutem elektrolyzeacuterem vyjdeme z provozniacutech charakteristik elektrolyzeacuteru a celkoveacute elektrickeacute energie vyprodukovaneacute za 1 rok našimi větrnyacutemi elektraacuternami Vyacutepočet proveden v přiacuteloze 3 Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku VH potřebneacute množstviacute vody VV a hmotnost vyprodukovaneacuteho vodiacuteku mH je potom

VH = 73030Nm3H2 rokmH = 6573kg rokVV = 65730l rok

Pokud chceme vyčiacuteslit cenu produkce 1 kg vodiacuteku musiacuteme v prvniacutem kroku zařadit větrneacute podmiacutenky v našiacute lokalitě zařadit do kategorie klasifikace větrneacute energie podle obraacutezku 33

76

Obr 33 Klasifikace větrneacute energie [22]

Středniacute rychlost větru pro lokalitu Novyacutech Dvorců je vstr=74 ms-1 nicmeacuteně hustota větrneacute energie je odhadem nižšiacute proto naše lokalita spadaacute do kategorie 6 Podle obraacutezku 34 pak můžeme určit cenovyacute interval vyacuteroby 1 kg vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech Dle obraacutezku je nejnižšiacute možnaacute cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku lehce pod 3 dolary neboli 59 Kč

Obr 34 Cena elektrolytickeacute vyacuteroby 1 kg vodiacuteku dle třiacuted větrneacute energie [22]

66 Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta

Vodiacutek neniacute zdrojem ale přenašečem energie Užitiacute vodiacuteku neniacute omezeno pouze na palivoveacute člaacutenky vodiacutek je vyacutehodneacute palivo i pro klasickeacute spalovaciacute (benziacutenoveacute i naftoveacute) motory Užitiacutem vodiacuteku ve spalovaciacutech motorech vznikajiacute NOx i když jako jedineacute polutanty Diacuteky mnohem menšiacutem naacutekladům na uacutepravu spalovaciacutech motorů pro provoz na vodiacutekoveacute palivo v porovnaacuteniacute s palivovyacutemi člaacutenky se jeviacute varianta spalovaacuteniacute vodiacuteku v nich jako přechodně preferovanějšiacute řešeniacute do doby vyacuterazneacuteho sniacuteženiacute naacutekladů na palivoveacute člaacutenky nebo do doby zvyacutešeniacute jejich uacutečinnosti

77

Pro budouciacute hlavniacute vyacuterobu vodiacuteku prostřednictviacutem elektrolyacutezy vody je nutnyacute dalšiacute vyacuteznamnyacute energetickyacute nosič - elektřina Obdobně jako u elektřiny vyacutehody užitiacute vodiacuteku zaacutevisiacute na tom jak je vodiacutek vyraacuteběn Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny např vyraacuteběneacute z uhliacute zvyacutešiacute se sice bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute ale vyacuterazně se zvyacutešiacute emise CO2 Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny z obnovitelnyacutech zdrojů zvyacutešiacute se bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute a sniacutežiacute emise CO2 ale přidaacutevajiacute se dalšiacute vlivy tohoto způsobu vyacuteroby elektřiny (omezenost obnovitelnyacutech zdrojů) Umiacutestěniacute dostatečneacuteho množstviacute paliva ve vozidle je dalšiacute probleacutem kteryacute dnes neniacute uspokojivě vyřešen Hlavniacute vyacutehodou vodiacuteku jako energetickeacuteho nosiče je že nabiacuteziacute cestu k decentralizovaneacutemu energetickeacutemu trhu na baacutezi nefosilniacutech paliv Vodiacutek je možneacute použiacutevat ve vozidle jako palivo bud přiacutemo ve spalovaciacutem motoru nebo jako zdroj elektrickeacute energie v palivoveacutem člaacutenku v elektromobilu Při vyacuterobě vodiacuteku elektrolyacutezou vody použitiacutem elektrickeacute energie vyrobeneacute z obnovitelnyacutech zdrojů je vodiacutek nejčistšiacutem současnyacutem palivem Z hlediska snižovaacuteniacute emisiacute skleniacutekovyacutech plynů je podstatneacute že automobily jezdiacuteciacute na vodiacutek oproti elektromobilům využiacutevajiacuteciacutech elektřinu z fosilniacutech paliv nevytvaacuteřiacute žaacutedneacute emise oxidu uhličiteacuteho Použitiacute vzduchu jako palivoveacute složky při využitiacute niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků nepřinaacutešiacute emise NOx Probleacutemy s bezpečnostiacute a cena vozidel s přiacutemyacutem spalovaacuteniacutem vodiacuteku jsou však hlavniacute důvody proč se současnyacute vyacutevoj využitiacute vodiacuteku v automobilech orientuje spiacuteše na palivoveacute člaacutenky kde se vodiacutek využiacutevaacute na vyacuterobu elektrickeacute energie Nicmeacuteně se zaměřiacuteme na použitiacute vodiacuteku ve spalovaciacutem motoru a to převaacutežně z důvodu možneacuteho rychleacuteho nasazeniacute do provozu jelikož uacuteprava spalovaciacuteho motoru neniacute komplikovanaacute a byla už reaacutelně předvedena Dalšiacutem důvodem je cena automobil vybavenyacute palivovyacutemi člaacutenky o stejneacutem vyacutekonu jako 2 litrovyacute benzinovyacute motor maacute desetinaacutesobnou cenu celkovyacutech naacutekladu na konverzi auta se spalovaciacutem motorem [23] Palivovyacute systeacutem motoru je vybaven elektronickyacutem směšovaciacutem systeacutemem kteryacute určuje směšovaciacute poměr vodiacuteku a vzduchu Spalovaacuteniacute probiacutehaacute s přebytkem vzduchu Přiacutedavnyacute vzduch ve spalovaciacutem prostoru odniacutemaacute teplo a tiacutem klesaacute teplota plamene pod kritickou mez nad niž by se směs mohla sama vzniacutetit Vznikajiacuteciacute oxidy dusiacuteku (NOx) jsou neutralizovaacuteny v redukčniacutem katalyzaacutetoru Bez dalšiacutech přiacutedavnyacutech zařiacutezeniacute pracujiacute vodiacutekoveacute motory prakticky bez emisiacute oproti benzinu jsou všechny emisniacute komponenty sniacuteženy až o 999 [23]

661 Koncept Fordu Focus s vodiacutekovyacutem palivem

Projekt uacutepravy seacuteriově vyraacuteběneacuteho Fordu Focus byl koordinovaacuten daacutenskou nevlaacutedniacute organizaciacute Folkencenter kteraacute byla založena v roce 1983 Hlavniacute naacuteplniacute teacuteto organizace je vyacutevoj testovaacuteniacute a demonstrovaacuteniacute technologiiacute využiacutevajiacuteciacute obnovitelneacute zdroje energie Standardniacute Ford Focus s 2 litrovyacutem benziacutenovyacutem motorem byl konvertovaacuten na použitiacute vodiacuteku jako paliva Vysokotlakaacute naacutedrž na vodiacutek o objemu 90 l byla uložena do zadniacute čaacutesti automobilu Bezpečnostniacute a ovlaacutedaciacute prvky byly speciaacutelně vyvinuty Scheacutema systeacutemu je na obraacutezku 35

78

Obr 35 Scheacutema konceptu vodiacutekoveacuteho Fordu Focus [23]

Motor konceptu je startovaacuten pomociacute benziacutenu a po dostatečneacutem zvyacutešeniacute otaacuteček je automaticky přepnut na vodiacutekoveacute palivo Toto uspořaacutedaacuteniacute umožňuje plynuleacute starty a nabiacuteziacute možnost cestovaacuteniacute na delšiacute trasy za použitiacute konvenčniacutech paliv Modifikace byly provedeny na hlavě vaacutelce Palivovyacute systeacutem vodiacuteku byl nově vyvinut přesneacute elektronickeacute řiacutezeniacute motoru je založeno na rychlosti a zatiacuteženiacute motoru Maximaacutelniacute vyacutekon 46 k dostaneme při 4600 otm což umožňuje vyvinout rychlost až 110 kmh Vyacutekonovaacute křivka motoru je na obraacutezku 36

Obr 36 Porovnaacuteniacute vyacutekonu motoru Fordu Focus při použitiacute vodiacuteku a benziacutenu jako paliva [23]

79

662 Průměrnaacute spotřeba vodiacuteku jako paliva

Pro analyacutezy využitiacute vodiacuteku jako paliva a plaacutenovaacuteniacute spraacutevneacuteho rozvrženiacute čerpaciacutech stanic jsou elektrolytickeacute systeacutemy kategorizovaacuteny do naacutesledujiacuteciacutech kategoriiacute dle [24]

bull Domaacuteciacute velikost poskytne palivo pro 1-5 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 200-1000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho sousedstviacute poskytne palivo pro 5-50 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 1000-10000 kg H2rok

bull Velikost sousedstviacute poskytne palivo pro 50 - 150 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 10000-30000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho předměstiacute což může reprezentovat stojan u staacutevajiacuteciacutech benzinovyacutech pump poskytuje palivo pro 150-500 aut a produkce vodiacuteku dosahuje 30000-100000 kg H2rok

bull Velikost předměstiacute poskytne palivo pro viacutece než 500 automobilů za rok a produkce vodiacuteku bude většiacute než 100000 kg H2rok

Počet aut byl určen vyacutepočtem kteryacute předpoklaacutedaacute spotřebu jednoho auta na 200 kg vodiacuteku za rok Spotřeba 200 kg vodiacuteku předpoklaacutedaacute že auto ujede ročně průměrně 19000 km a průměrnaacute spotřeba bude 104 kg vodiacuteku na 100 km Při použitiacute stejnyacutech předpokladů a a použitiacute množstviacute naacutemi vyrobeneacuteho vodiacuteku a to mH=6573 kg může systeacutem instalovanyacute v Novyacutech Dvorciacutech pokryacutet ročniacute spotřebu až 32 automobilů Při zahrnutiacute informaciacute o naacutekladoveacute ceně na vyacuterobu jednoho 1kg paliva a průměrneacute spotřebě automobilu viz přiacuteloha 3 by cena na ujetiacute jednoho kilometru byla 061 Kč Tato cena nereflektuje daň spotřebniacute ani daň z přidaneacute hodnoty

663 Bezpečnostniacute zaacutesady

Vodiacutek je velmi lehkyacute a hořlavyacute plyn kteryacute ve spojeniacute se vzduchem vytvaacuteřiacute vyacutebušnou směs proto je potřeba dodržovat při konstrukci a provozu systeacutemů využiacutevajiacuteciacutech vodiacutek určiteacute bezpečnostniacute zaacutesady a postupy jako napřiacuteklad

bull Dokonale utěsněneacute trubkoveacute prostupy do zařiacutezeniacute a budovbull Použiacutevat bezpečnaacute zařiacutezeniacute ktereacute neprodukujiacute jiskry (osvětleniacute topeniacute

klimatizace)bull Ověřovaacuteniacute diferenčniacutech tlaků použiacutevaacuteniacute ventilaacutetorůbull Použiacutevaacuteniacute panelů miacuterniacuteciacutech přiacutepadnyacute vyacutebuchbull Testovaacuteniacute vodiacutekoveacuteho potrubiacute na tlakoveacute ztraacutety a uacutenikbull Potrubiacute a tlakoveacute naacutedoby profukovat dusiacutekem před manipulacemi s

armaturami aby jsme minimalizovali pravděpodobnost vytvořeniacute hořlaveacute směsi mezi vodiacutekem a vzduchem

Nouzoveacute vypiacutenače

Pro zajištěniacute rychleacute odstaacutevky vyacuteroby by měly byacutet v miacutestě instalace umiacutestěny nouzoveacute vypiacutenače Spraacutevneacute umiacutestěniacute samozřejmě zaacutevisiacute na konkreacutetniacutem provedeniacute systeacutemu Pro vyacuterobu vodiacuteku pomociacute elektrolyzeacuteru by měly byacutet umiacutestěny řiacutediacuteciacute budově na PLC skřiacuteni dalšiacute vhodneacute miacutesto je mimo hlavniacute vstup do produkčniacute budovy v produkčniacute budově opět umiacutestěniacute v bliacutezkosti PLC skřiacuteně

80

Aktivace nouzoveacuteho vypiacutenače by mělo naacutehle ukončit produkci vodiacuteku nebo odstavit proud přechaacutezejiacuteciacute do elektrolyzeacuteru Aktivace zavře pneumatickyacute ventil tak aby došlo k izolaci vysokotlakeacuteho vodiacuteku uloženeacuteho v zaacutesobniacuteku Naacutemi použityacute alkalickyacute elektrolyzeacuter ukončiacute svou činnost okamžitě po odstaveniacute probiacutehaacute promyacutevaacuteniacute dusiacutekem ktereacute trvaacute 10 až 15 minut

Detekce vodiacuteku

Produkčniacute budova a kompresorovna by měly miacutet vodiacutekoveacute detektory Vodiacutekoveacute detektory začnou vydaacutevat alarm když koncentrace vodiacuteku překročiacute 10 Detektory jsou kontinuaacutelně sledovaacuteny PLC ktereacute v přiacutepadě zvyacutešeniacute koncentrace odstaviacute vyacuterobu vodiacuteku a spustiacute alarm

Ventilace

Odsaacutevaciacute ventilaacutetor instalovaacuten do produkčniacute i kompresoroveacute budovy je v provozu kontinuaacutelně aby se zabraacutenilo nahromaděniacute unikajiacuteciacuteho vodiacuteku Odsaacutevaciacute ventilaacutetor je v provozu pokud probiacutehaacute vyacuteroba vodiacuteku Elektrolyzeacuter i kompresor jsou pozastaveny dokud nebude dosaženo na odsaacutevaciacutem ventilaacutetoru potřebneacute diferenciace tlaku kteryacute indikuje dostatečnyacute průtok vzduchu Tlaky jsou opět monitorovaacuteny PLC ktereacute zastaviacute vyacuterobu v přiacutepadě poklesu rozdiacutelu tlaku

Požaacuterniacute detekce

Protipožaacuterniacute ochrana se obvykle sklaacutedaacute ze dvou požaacuterniacutech hlaacutesičů odolaacutevajiacuteciacutech počasiacute a dvou optoelektronickyacutech detektorů kouře V produkčniacute budově jsou umiacutestěny UVIR detektory a detektory monitorujiacuteciacute tepelnyacute vyacutekon Všechny veškereacute detektory jsou spojeny s PLC ktereacute v přiacutepadě detekce požaacuteru odstaviacute vyacuterobu

81

Zaacutevěr

Praacutece teoreticky nastiňuje možnosti použitiacute hybridniacuteho systeacutemu spojeniacute dvou menšiacutech větrnyacutech elektraacuteren firmy Enercon o jmenoviteacutem vyacutekonu 330 kW a alkalickeacuteho elektrolyzeacuteru NELP40 firmy Norsk Hydro Zaacutekladniacutem krokem vyacutepočtu je nalezeniacute vhodneacute lokality umiacutestěniacute větrnyacutech elektraacuteren Prvotniacute vyacuteběr se provaacutediacute pomociacute větrneacute mapy kterou distribuuje ČHMUacute V našem přiacutepadě byla vybraacutena lokalita letiště v Mošnově Druhyacutem krokem je měřeniacute přiacutemo v miacutestě umiacutestěniacute potenciaacutelniacute větrneacute elektraacuterny Pro tento krok byly využity data dodanaacute miacutestniacute meteorologickou staniciacute Data se statisticky zpracovala a ukaacutezala naacutem zaacutekladniacute vlastnosti větru v mošnovskeacute lokalitě Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov je vstr=3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1 Tyto hodnoty jsou měřeny ve vyacutešce 3 m nad tereacutenem Pomociacute těchto hodnot byly určeny hodnoty tvaroveacuteho Weibull parametru k=1459 a rozměroveacuteho Weibull parametru c=3969 ms-1 Jelikož budou rotory větrneacute elektraacuterny umiacutestěny ve vyacutešce 44 m je potřeba přepočiacutetat průměrnou rychlost větru praacutevě pro 44 m průměrnaacute rychlost větru ve 44 m je potom Ur=682 ms-1 Jedniacutem ze zaacutekladniacutech faktorů ukazujiacuteciacutech kvalitu umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny je tzv kapacitniacute faktor CFA=029 tato hodnota je relativně niacutezkaacute a dalo se tedy předpoklaacutedat že lokalita v Mošnově neniacute ideaacutelniacutem miacutestem pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Domněnka byla potvrzena po dopočiacutetaacuteniacute celkoveacuteho vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren Pwf=44691 kW Tato hodnota je velmi niacutezkaacute pokud vezmeme v potaz celkovyacute nominaacutelniacute vyacutekon obou elektraacuteren kteryacute je 660 kW Podle větrneacute mapy byly vybraacuteny Noveacute Dvorce jako alternativniacute možnost umiacutestěniacute našich elektraacuteren Shodou okolnostiacute toto miacutesto již využiacutevaacute společnost Větrnaacute energie HL sro kteraacute zde umiacutestila 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele byla v miacutestě naměřena průměrnaacute rychlost větru vstr=74 ms=1 a standardniacute odchylka je potom σw=35 ms-1 Tyto hodnoty byly měřeny ve vyacutešce 10 m Vyacutepočet probiacutehal analogicky jako v prvniacutem přiacutepadě Kapacitniacute faktor CFA=0474 Stejně jako v předešleacutem přiacutepadě se dalo tušit že celkovyacute vyacutekon bude vysokyacute maximaacutelniacute kapacitniacute faktor pro větrnou elektraacuternu Enercon E33 je totiž 05 Celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren je v tomto přiacutepadě Pwf=23369 kW což je velmi dobraacute hodnota Předpoklaacutedaacute se že dostupnost tohoto vyacutekonu je 1500 hodin ročně celkovaacute vyrobenaacute elektrickaacute energie W=3505x105 kWhrok Elektrickaacute energie je spotřebovaacutena elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro kteryacute je pomociacute niacute schopen vyrobit mh=6573 kgrok Pro zjištěniacute naacutekladoveacute ceny je prvně potřeba klasifikovat větrneacute podmiacutenky podle zdroje [22] naše lokalita spadaacute do 6 kategorie a cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku je tedy 59 Kč Vodiacutek je daacutele použit jako palivo pro automobily ktereacute použiacutevajiacute konvenčniacute spalovaciacute motory upraveneacute pro spalovaacuteniacute vodiacuteku jako paliva Předpoklaacutedaacuteme že průměrnaacute spotřeba vodiacuteku na jedno auto a rok je 200 kg vodiacuteku Předpoklad zahrnuje ujetiacute 19 000 km za rok a průměrneacute spotřeby 104 kg vodiacuteku na 100 km Produkce vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech by pokryla provoz až 32 automobilů Naacutekladovaacute cena na ujetiacute 1 km by byla 061 Kč naacutekladovaacute cena pro benzinovyacute je průměrně 120 Kč Tyto ceny nereflektujiacute vyacuteši spotřebniacute daně a daně z přidaneacute hodnoty Zejmeacutena u daně z přidaneacute hodnoty se daacute předpoklaacutedat daňoveacute zvyacutehodněniacute pro vodiacutekovyacute pohon jelikož tento způsob vyacuteroby a využitiacute vodiacuteku neuvolňuje žaacutedneacute emise

82

Seznam použiteacute literatury

[1] Lakva P Netradičniacute využitiacute větrneacute energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2009 38 s Vedouciacute bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

[2] Rychetniacutek V Pavelka J Větrneacute motory a elektraacuterny ČVUT Praha 1997

[3] Wind energy [online] [citovaacuteno 2012-10-10] Dostupneacute z lthttpwwwgreenrhinoenergycomrenewablewindgt

[4] Luťcha J Hybridniacute soustava větrneacute elektraacuterny a fotovoltaickyacutech člaacutenků KG Process Innovations Brno 2009

[5] Norwegian Electrolysers [online] [citovaacuteno 2012-04-22] Dostupneacute z lthttpwwwnel-hydrogencomgt

[6] Sherif S A Barbir F Veziroglu T N Wind energy and the hydrogen economy-review of the technology Elsevier 2005

[7] Gupta R Hydrogen fuel production transport and storage San Francisco 2008 ISBN 978-1-4200-4575-8

[8] Sobotka K A wind power fuel cell hybrid system study University of Akureyri 2009

[9] Richard S A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles Universiteacute Laval 1996

[10] Agbossou K Chahine R Hamelin J Renewable energy systems based on hydrogen for remote applications Journal of Power Sources New York 2001

[11] Vijayaraghavan K Trends in biological hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy Rennes 2004

[12] Horaacutek B Koziorek J Kopřiva M Studie pohonu mobilniacuteho prostředku s palivovyacutem člaacutenkem VŠB TU Ostrava 2005

[13] Celik AN On the distributional parameters used in assessment of the suitability of wind speed probability density functions Energy Convers Manag Istanbul 2004 [14] Stolten D Krieg D Weber M An Overview on Water Electrolysis Juelich Research Center Berlin 2010

[15] Bourgeois R Advanced Alkaline Electrolysis GE Global Research Center New York 2006

[16] Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav [online] [citovaacuteno 2013-04-21] Dostupneacute z lthttpwwwchmiczgt

83

Abstrakt

Vyacuteroba vodiacuteku je technicky a ekonomicky vhodnaacute metoda uklaacutedaacuteniacute přebytků energie z obnovitelnyacutech zdrojů energie přestože tato technologie ještě neniacute dostatečně vyspělaacute v porovnaacuteniacute s ostatniacutemi možnostmi využitiacute obnovitelneacute energie V teacuteto praacuteci jsou spojeny dvě větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 330 kW spojeneacute s elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro toto spojeniacute by mělo zajistit lepšiacute využitiacute energie vyrobeneacute větrem Praacutece zkoumaacute dvě možnosti a to využitiacute vodiacuteku pro produkci el energie pomociacute palivovyacutech člaacutenků a využitiacute vodiacuteku jako alternativniacuteho paliva pro auta Tato praacutece představuje všeobecnyacute uacutevod do problematiky systeacutemu větrneacute elektraacuterny spojeneacute s vyacuterobou vodiacuteku Budouciacute studie by měly byacutet viacutece komplexniacute a detailniacute předevšiacutem je potřeba ziacuteskat dlouhodobaacute a přesnaacute data na zaacutekladě kteryacutech se daacute s většiacute přesnostiacute určit možnosti reaacutelneacuteho využitiacute tohoto systeacutemu a ukaacutezat možnosti využitiacute větrneacute energie v kontinuaacutelně se měniacuteciacutech energetickyacutech požadavciacutech lidstva

Kliacutečovaacute slova

vodiacutek větrnaacute energie větrneacute turbiacuteny lokaacutelniacute větrneacute podmiacutenky elektrolyacuteza elektrolyzeacuter uacutečinnost elektrolyacutezy spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku skladovaacuteniacute vodiacuteku hydridy kovů palivoveacute člaacutenky systeacutem palivovyacutech člaacutenků Mošnov Noveacute Dvorce Weibullova funkce kapacitniacute faktor vyacutekonovaacute charakteristika

Abstract

Hydrogen as a form of storage for the excess energy from renewable sources is a technically and economically viable option However the technology is not mature enough to compete with the other renewable energy possibilities In this thesis a study based on coupling two 330 kW wind-turbines with an NELP 40 electrolyzer this connection should improve the utilization of wind power In this thesis are two options of energy utilization The energy produced by the wind-turbine is stored in the form of hydrogen and is then delivered for consumption at variable power through a fuel cell second option is use of produced hydrogen as alternative fuel for cars This study is a general introduction for the wind energy system with hydrogen storage Future studies should be more complex and detailed in order to understand and model the system with greater accuracy and to increase the possibility for the utilization of wind energy to generate hydrogen This would enhance wind power competitiveness and sustain the continuously changing world energy demands

Key words

hydrogen wind energy wind turbines local wind conditions electrolysis electrolyzer efficiency of electrolysis consumption of electrolytic cell hydrogen storage metal hydrides fuel cells system of fuel cells Mošnov Noveacute Dvorce Weibull function capacity factor power curve

4

Bibliografickaacute citace

Lakva P Vyacuteroba vodiacuteku z obnovitelneacuteho zdroje energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2013 85 s Vedouciacute diplomoveacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

5

Čestneacute prohlaacutešeniacute

Prohlašuji že jsem byl seznaacutemen s předpisy pro vypracovaacuteniacute diplomoveacute praacutece a že jsem tuto praacuteci vypracoval samostatně a zaacuteroveň uvedl všechny použiteacute informačniacute zdroje

V Brně dne 20 5 2013 Petr Lakva

6

Poděkovaacuteniacute

Děkuji panu docentu Ing Jaroslavu Jiacutechovi CSc za poskytnuteacute konzultace a odbornou pomoc Daacutele bych chtěl poděkovat panu Ing Josefu Luťchovi CSc za přiacutenosneacute rady k tomuto projektu a takeacute svyacutem rodičům za podporu během celeacuteho studia

7

Obsah

Seznam použityacutech zkratek 10

Seznam použityacutech symbolů 11

Uacutevod 12

1Větrnaacute energie 14

11Větrneacute turbiacuteny 17

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek 18

2Elektrolyacuteza 24

21Princip elektrolyacutezy 24

22Typy elektrolyacutezy 25

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů 29

24Uacutečinnost elektrolyacutezy 31

25Napětiacute člaacutenků 31

26Vliv provozniacutech podmiacutenek 32

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku 33

3Metody uskladněniacute vodiacuteku 35

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu 37

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu 40

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů 42

34Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku 45

4Palivoveacute člaacutenky 47

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků 47

42Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků 48

43Princip funkce palivovyacutech člaacutenků 49

44Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků 51

45Typy palivovyacutech člaacutenků 52

8

46Systeacutem palivovyacutech člaacutenků 63

5Instalace ve světě 66

6Přiacutepadovaacute studie 69

61Vyacuteběr lokace 69

62Větrnaacute turbiacutena 69

63Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov 70

64Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce 73

65Elektrolyzeacuter 75

66Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta 77

Zaacutevěr 82

Seznam použiteacute literatury 83

Seznam přiacuteloh 85

9

Seznam použityacutech zkratek

AFC Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

ČHMUacute Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav

HF Vodiacutekovyacute filtr

ICI Imperial chemical industries

IR Infračerveneacute zaacuteřeniacute

MEA Membraacutenoveacute uskupeniacute

MCFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů

NASA Naacuterodniacute uacuteřad pro letectviacute a kosmonautiku

NHL Niacutezkyacute horniacute limit

OF Kysliacutekovyacute filtr

PAFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute

PEM Palivovyacute člaacutenek s polymerniacute membraacutenou

PLC Programovatelnyacute logickyacute automat

SOFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů

UV Ultrafialoveacute zaacuteřeniacute

VHL Vysokyacute horniacute limit

10

Seznam použityacutech symbolů

Symbol Vyacuteznam Jednotka

c Rozměrovyacute Weibull parametr -

CFA Kapacitniacute faktor -

CFAmax Maximaacutelniacute kapacitniacute faktor -

hrf Referenčniacute vyacuteška m

k Tvarovyacute Weibull parametr -

mH Hmotnost vyrobeneacuteho vodiacuteku kg

Pav Vyacutekon v naacutevrhoveacutem bodě kW

Pnom Nominaacutelniacute vyacutekon větrneacute turbiacuteny kW

Pwt Vyacutekon jedneacute větrneacute turbiacuteny kW

Pwf Vyacutekon obou větrnyacutech turbiacuten kW

Rgh Deacutelka turbulence -

Ur Naacutevrhovaacute rychlost větru ms-1

VH Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku za rok Nm3rok

vstr Středniacute rychlost větru ms-1

VV Objem vody potřebneacute k elektrolyacuteze l

Z Nadmořskaacute vyacuteška m

σw Standardniacute odchylka ms-1

Ostatniacute zde neuvedeneacute symboly jsou systematicky vysvětlovaacuteny v textu diplomoveacute praacutece

11

Uacutevod

Plneacute vyacutehody využitiacute vodiacuteku jako udržitelneacuteho zdroje paliva mohou byacutet dosaženy pouze v přiacutepadě že vodiacutek je produkovaacuten z obnovitelnyacutech zdrojů energie Využitiacute větrneacute a solaacuterniacute energie zaznamenalo v posledniacutech letech velkyacute pokrok Tento pokrok znamenaacute sniacuteženiacute ceny energie vyrobeneacute z těchto zdrojů Velmi často jsou takoveacute zdroje energie široce dostupneacute pokud napřiacuteklad bereme v uacutevahu Evropu jako celek v samotneacute Českeacute republice jsou možnosti využitiacute větru a slunečniacute energie relativně maleacute vzhledem k celkoveacute energetickeacute poptaacutevce na našem trhu Obnovitelneacute zdroje energie se mohou uplatnit v odlehlyacutech oblastech nebo v oblastech kde neniacute dostatečně vybudovaacutena elektrickaacute siacuteť a pokryacutet lokaacutelniacute energetickeacute požadavky Provoz solaacuterniacutech a větrnyacutech systeacutemů vysoce zaacutevisiacute na meteorologickyacutech podmiacutenkaacutech a tiacutem paacutedem je produkce elektřiny proměnnaacute v čase a často nereflektuje energetickeacute požadavky Řešeniacute tohoto probleacutemu je uloženiacute energie Energie se nejčastěji uklaacutedaacute pomociacute bateriiacute Baterie rychle ztraacuteciacute uloženou energii a mohou byacutet použity pouze v relativně kraacutetkeacutem časoveacutem uacuteseku Baterie majiacute takeacute limitovanou životnost Lepšiacute možnostiacute uloženiacute energie se jeviacute využitiacute vodiacutek jako nositele energie Molekulaacuterniacute vodiacutek v přiacuterodě neexistuje musiacute byacutet ziacuteskaacuten jinyacutemi způsoby Jedinaacute skutečně vyspělaacute technologie ziacuteskaacutevaacuteniacute vodiacuteku z obnovitelnyacutech zdrojů energie je elektrolyacuteza vody při ktereacute je molekula vody rozdělena na kysliacutek a vodiacutek použitiacutem elektrickeacute energie Elektrolyzeacutery jsou založeny na alkalickyacutech elektrolytech nebo protonoveacute membraacuteně kde je použit materiaacutel Nafion jako elektrolyt Stejnyacute materiaacutel je použit jako elektrolyt i v PEM palivovyacutech člaacutenciacutech Systeacutem elektrolyacutezy vody se sklaacutedaacute z elektrolytickyacutech člaacutenků nebo modulů fluidniacuteho subsysteacutemu dodaacutevajiacuteciacuteho vodu do člaacutenku a odvaacutedějiacuteciacuteho plyny ze člaacutenku a elektrickeacuteho subsysteacutemu Hlavniacutemi komponenty vodniacute elektrolyacutezy katoda anoda a separaacutetor Anoda a katoda musiacute byacutet odolneacute korozi a musiacute byacutet dobryacutemi elektrickyacutemi vodiči Kapacita produkce vodiacuteku pomociacute elektrolyacutezy se může pohybovat řaacutedově od několika cm3min až do tisiacuteců m3h Uacutečinnost procesu se řaacutedově pohybuje kolem 70 Proces elektrolyacutezy požaduje vysokou energetickou hustotu takže proce může byacutet velice drahyacute Vyacuteroba levneacuteho vodiacuteku může byacutet dosažena použitiacutem mimo-špičkoveacute elektrickeacute energie kdy je přebytek energie ze solaacuterniacutech panelů nebo větrneacute elektraacuterny použit pro proces elektrolyacutezy Vodiacutek je nejčastěji uložen ve formě stlačeneacuteho plynu v tlakovyacutech naacutedobaacutech ale existujiacute i dalšiacute možnosti uloženiacute vyrobeneacuteho vodiacuteku (v kapalneacutem stavu v pevnyacutech hydridech kovu a nebo v kapalnyacutech nosičiacutech např metanolu) V obdobiacute elektrickyacutech špiček ale při špatnyacutech povětrnostniacutech podmiacutenkaacutech může byacutet vodiacutek použit jako palivo do vysoce efektivniacutech palivovyacutech člaacutenků k uspokojeniacute elektrickeacute poptaacutevky Vodiacutek vyprodukovanyacute větrnou energiiacute lze použiacutet jako alternativniacute palivo do aut Hlavniacutemi průkopniacuteky použiacutevaacuteniacute vodiacuteku v automobiloveacutem průmyslu jsou značky BMW a Toyota Palivoveacute člaacutenky jsou zařiacutezeniacute produkujiacuteciacute elektrickou energii tak dlouho dokud je zajištěna dodaacutevka vodiacuteku jako paliva Člaacutenky pracujiacute na na přiacutemeacute elektrochemickeacute konverzi paliva dosahujiacute tak vysokeacute uacutečinnosti dosahujiacuteciacute 40 Systeacutemy využiacutevajiacuteciacute vodiacutek nabiacuteziacute flexibilitu v dimenzovaacuteniacute diacuteky modularitě elektrolyzeacuterů palivovyacutech člaacutenků a uskladněniacute vodiacuteku Komplikovanost systeacutemu založeneacuteho na vodiacuteku je velmi vysokaacute Pro zajištěniacute kontinuaacutelniacutech dodaacutevek je potřeba zajistit kvalitniacute management energetickyacutech toků mezi jednotlivyacutemi složkami systeacutemu

12

Provoz elektrolyzeacuteru a palivovyacutech člaacutenků v kombinaci s obnovitelnyacutemi zdroji energie přinaacutešiacute několik probleacutemu Prvniacutem probleacutemem je určeniacute velikosti elektrolyzeacuteru vzhledem k vyacutekonu větrneacute elektraacuterny nebo poli solaacuterniacutech panelů Jednou možnostiacute je navrhnout velikost elektrolyzeacuteru tak aby byl schopen přijmout veškeryacute vyacutekon vyprodukovanyacute vyacutekon nebo použiacutet elektrolyzeacuter s vyacutekonem nižšiacutem než je maximum zdroje V prvniacutem přiacutepadě bude elektrolyzeacuter pracovat se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem jako zdroj Toto řešeniacute je ovšem cenově meacuteně konkurenceschopneacute Druhaacute instalace je ekonomicky vyacutehodnějšiacute jelikož elektrolyzeacuter pracuje při vyššiacute kapacitě ale čaacutest elektrickeacute energie musiacute byacutet využito jinyacutem způsobem než pro vyacuterobu vodiacuteku Provoz elektrolyzeacuteru v kombinaci s obnovitelnyacutem zdrojem energie maacute několik probleacutemů ktereacute je potřeba řešit Obnovitelneacute zdroje jsou velmi nestaacuteleacute zdroje energie takto produkovaacutena může značně koliacutesat hodinu od hodiny den od dne obdobiacute od obdobiacute nebo rok od roku Proměnnyacute přiacutekon může způsobit probleacutemy s termoregulaciacute elektrolyzeacuteru Spraacutevnyacute provoz elektrolyzeacuteru zaacutevisiacute na předpoviacutedatelnyacutech pracovniacutech teplotaacutech Elektrolyzeacutery potřebujiacute určitou dobu na zahřaacutetiacute a provoz pod nominaacutelniacutem přiacutekonem může způsobit nižšiacute provozniacute teploty ktereacute majiacute za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti Komprese vodiacuteku se provaacutediacute piacutestovyacutemi a odstředivyacutemi kompresory Spotřeba kompresoru zaacutevisiacute na tlakoveacutem poměru proto je potřeba uvažovat o tlakovyacutech elektrolyzeacuterech ktereacute mohou sniacutežit celkovou spotřebu energie systeacutemu Sniacuteženiacute spotřeby je důsledkem odstraněniacutem elektrickeacute energie potřebneacute pro mechanickou kompresi Při elektrolyacuteze vznikaacute kromě vodiacuteku takeacute kysliacutek Kysliacutek je převaacutežně vypouštěn ze systeacutemu může byacutet použit při provozu palivoveacuteho člaacutenku zlepšuje totiž jeho vyacutekon Cena kysliacuteku je asi 4x menšiacute než cena vodiacuteku takže je potřeba zvaacutežit zda se vyplatiacute kysliacutek uklaacutedat při dalšiacutech naacutekladech Produkce vodiacuteku požaduje dostatečneacute množstviacute čisteacute vody Nečistoty obsaženeacute ve vodě mohou vyacuteznamně ovlivnit životnosti elektrolytickyacutech člaacutenků Voda je obvykle čištěna přiacutemo na miacutestě instalace čištěniacute vody může byacutet dalšiacutem naacutekladem při produkci vodiacuteku Při provozu elektrolyzeacuteru nastaacutevaacute kraacutetkodobeacute zvyšovaacuteniacute napětiacute způsobeneacute ustaveniacutem rovnovaacutehy obsahu vody v membraacuteně a oxidaciacute katalyzaacutetoru a dalšiacutech kovovyacutech komponentů Současneacute palivoveacute člaacutenky majiacute relativně kraacutetkou životnost kvůli degradaci membraacuteny Životnost elektrolyzeacuteru a palivoveacuteho člaacutenku je potřeba zohlednit při naacutevrhu systeacutemu Dalšiacutem velmi důležityacutem probleacutemem tyacutekajiacuteciacutem se vodiacuteku je bezpečnost Nespraacutevneacute zachaacutezeniacute a skladovaacuteniacute může způsobit určiteacute nebezpečiacute protože vodiacutek maacute niacutezkou teplotu vzniacuteceniacute a je velmi hořlavyacute Plamen hořiacuteciacuteho vodiacuteku je teacuteměř neviditelnyacute lehce tak může způsobit zraněniacute jelikož je těžce pozorovatelnyacute Vodiacutek je těkavyacute a neniacute toxickyacute Naacuteležitaacute ochrana a spraacutevneacute použitiacute systeacutemů využiacutevajiacuteciacute vodiacutek by mělo zaručit bezpečnost a spraacutevnou funkci

13

1Větrnaacute energie

Větrnaacute energie je energie pohybujiacuteciacute se vzduchoveacute masy Pohyb vzduchoveacute masy je způsoben rozdiacutelem teplot v atmosfeacuteře Slunečniacute zaacuteřeniacute ohřiacutevaacute vzduch kteryacute naacutesledně stoupaacute do vyššiacutech pater atmosfeacutery Tento pohyb vzduchu maacute za naacutesledek vytvořeniacute zoacuten nižšiacuteho tlaku vzduchu Tok vzduchu tzn viacutetr tyto tlakoveacute diference vyrovnaacutevaacute Větrnaacute energie je slunečniacute energie přeměněnaacute na kinetickou energii pohybujiacuteciacuteho se vzduchu Větrnaacute energie je globaacutelně nejrychleji rostouciacute sektor vyacuteroby energie z obnovitelnyacutech zdrojů Instalovanyacute vyacutekon v zemiacutech Evropskeacute unie dosaacutehl v roce 2012 100 GW polovina teacuteto kapacity byla instalovanaacute v posledniacutech 6 letech Obraacutezek 1 ukazuje vyacutevoj instalovaneacuteho vyacutekonu

Obr 1 Instalovanyacute vyacutekon větrnyacutech elektraacuteren v EU [14]

Větrneacute elektraacuterny tohoto vyacutekonu jsou schopny pokryacutet potřebu elektrickeacute energie pro 57 milioacutenů domaacutecnostiacute Ekvivalentniacute vyacutekon v uhelnyacutech elektraacuternaacutech by byl dosažen po spaacuteleniacute 72 milioacutenů tun uhliacute což představuje cca 750 000 vagoacutenůI přes tento rozvoj pouze vybraneacute lokality majiacute charakteristiky rychlosti a staacutelosti větru vhodneacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Hraniciacute ekonomickeacute naacutevratnosti investice je pro větrneacute elektraacuterny umiacutestěneacute ve vnitrozemiacute hodnota průměrneacute rychlosti větru 6 ms pro elektraacuterny umiacutestěneacute na moři je tato hodnota 7 ms vyššiacute hodnota je způsobena zejmeacutena zvyacutešenyacutemi investičniacutemi naacuteklady na instalaci tzv off-shore elektraacuteren Prvotniacutem krokem vybraacuteniacute vhodneacute lokality pro instalaci větrneacute elektraacuterny je průzkum satelitniacutech dat o průměrneacute rychlosti větru Zdrojem těchto dat je velkeacute množstviacute instituciacute na obr 2 je mapa vytvořena společnostiacute NASA přesněji satelitem GEOS-1 kteraacute zobrazuje ročniacute průměrnou rychlost ve vyacutešce 50 m Pro českeacute investory budou nejzajiacutemavějšiacute informace ČHMUacute kteryacute je schopen za poplatek dodat informace o směru a rychlosti větru v Českeacute republice Data jsou ovšem nepřiacutemaacute naměřeneacute hodnoty z meteorologickyacute stanic jsou aproximovanaacute pomociacute

0

25

50

75

100

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011

Vyacuteko

n [G

W]

Rok

14

matematickyacutech modelů Tyto mapoveacute podklady sloužiacute k přibližneacutemu určeniacute vhodneacute lokality Konečneacute rozhodnutiacute o instalaci by mělo byacutet založeno na dlouhodobeacutem měřeniacute na konkreacutetniacutem miacutestě plaacutenovaneacute vyacutestavby větrneacute elektraacuterny

Obr 2 Průměrnaacute rychlost větru ve vyacutešce 50 m [15]

Miacutesta s největšiacutem potenciaacutelem pro využitiacute větrneacute energie jsou nad oceaacuteny naopak miacutesta s jednou z nejhoršiacutech využitelnostiacute větrneacute energie jsou centraacutelniacute regiony velkyacutech světadiacutelů Nejvhodnějšiacute lokality pro využiacutevaacuteniacute větrneacute energie jsou pobřežniacute regiony Pobřežniacute regiony jsou znaacutemeacute silnyacutem větrem a velkyacutem poměrem světoveacute populace tzn odběratelů elektrickeacute energie Větrnaacute energie trpiacute stejnyacutem neduhem jako většina zdrojů obnovitelneacute energie a to nestaacutelostiacute a značnyacutemi sezoacutenniacutemi rozdiacutely Je velmi složiteacute přesně předpovědět energetickyacute vyacutestup z větrnyacutech zdrojů Rozvodnaacute siacuteť je schopna tyto sezonniacute vyacutekyvy absorbovat ale pouze v přiacutepadě že větrnaacute energie tvořiacute meacuteně než 20 celkoveacute kapacity siacutetě Diacuteky nestaacutelosti větrneacute energie větrneacute turbiacuteny pracujiacute s niacutezkyacutem kapacitniacutem faktorem Podiacutel větrneacute energie může byacutet vyacuterazně zvyacutešen použitiacutem skladovaciacutech technologiiacute Skladovaciacutech technologiiacute je celaacute řada pro svou praacuteci jsem si vybral jako nejslibnějšiacute technologii použitiacute vodiacuteku jako energetickeacuteho nositele Využitiacute vodiacuteku k vyacuterobě elektřiny je kontrolovatelneacute a dokaacuteže pokryacutet energetickeacute vyacutekyvy v době kdy větrneacute elektraacuterny do siacutetě elektrickou energii nedodaacutevajiacute Pro zajištěniacute spolehlivosti energetickeacuteho zdroje a optimalizaci naacutekladů na instalaci je potřeba najiacutet vhodnyacute vztah mezi jmenovityacutem vyacutekonem větrneacute elektraacuterny a vyacutekonem vodiacutekoveacuteho systeacutemu Vzdušneacute prouděniacute je proměnneacute nejenom v kraacutetkeacutem časoveacutem horizontu ale zaacuteroveň se měniacute i v raacutemci ročniacuteho obdobiacute Tato proměnnost značně ovlivňuje vyacutekonnost celeacuteho systeacutemu Větrnaacute energie se měniacute takeacute teacuteměř z hodiny na hodinu proto je potřeba vytvořit strategii pro pracovniacute režimy elektrolyzeacuteru tak aby nedochaacutezelo k časteacutemu vypiacutenaacuteniacute a zapiacutenaacuteniacute systeacutemu v zaacutevislosti na variaci větrneacute energie Přesnaacute předpověď vyacutevoje rychlosti větru zahrnuta do plaacutenovaciacutech a provozniacutech naacutestrojů systeacutemu může systeacutem značně vylepšit

15

Vyacuteroba vodiacuteku pomociacute větrneacute energie se děje pomociacute elektrolyacutezy vody tento vyacuterobniacute postup je vysvětlen v kapitole ldquoelektrolyacutezardquo Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutem rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute Pomocnaacute energie je dodaacutevanaacute ze stabilniacuteho regulovatelneacuteho zdroje V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Kombinace zdroje jako je větrnaacute elektraacuterna s elektrolyzeacutery může miacutet za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti kvůli ztraacutetaacutem způsobenyacutech konverziacute elektrickeacute energie ze stejnosměrneacute na střiacutedavou a naopak Jak usměrňovače tak invertory spotřebujiacute čaacutest energie Tyto zařiacutezeniacute mohou v ideaacutelniacutech podmiacutenkaacutech pracovat s uacutečinnostiacute kolem 93 - 95 bohužel velmi proměnou energii ziacuteskaacutevanou s větru nemůžeme považovat za ideaacutelniacute podmiacutenky tomu odpoviacutedaacute i znatelně menšiacute uacutečinnost Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute

16

11Větrneacute turbiacuteny

111Technologie

Nejčastěji použiacutevanaacute větrnaacute turbiacutena je tzv vztlakovyacute třiacutelistyacute rotor s vodorovnou osou otaacutečeniacute Pracuje na principu leteckeacute vrtule kdy viacutetr obteacutekaacute lopatky Lopatkyjsou asymetricky tvarovaacuteny proto na každeacute straně lopatky maacute obteacutekajiacuteciacute vzduch jinou

Obr 3 Zjednodušeneacute scheacutema větrneacute elektraacuterny [14]

rychlost to vytvaacuteřiacute tlakovou diferenci ktereacute maacute v konečneacutem důsledku za naacutesledek vytvořeniacute vztlakovyacutech sil ktereacute rotor roztaacutečiacute Hnaciacute uacutestrojiacute je obvykle tvořeno niacutezko-rychlostniacute hřiacutedeliacute kteraacute připojuje rotor k převodovce Převodovka je 2 až 3 stupňovaacute tzv rychlost zvyšujiacuteciacute Převodovka je připojena vysoko-rychlostniacute hřiacutedeliacute ke generaacutetoru Generaacutetory jsou typicky asynchronniacute indukčniacute a pracujiacute v rozmeziacute 550 - 690 V Některeacute turbiacuteny mohou byacutet vybaveny přiacutedavnyacutem generaacutetorem zlepšujiacuteciacutem produkci při niacutezkeacute rychlosti větru Přiacutedavnyacute generaacutetor může byacutet oddělenyacute nebo integrovanyacute v hlavniacutem generaacutetoru Součaacutestiacute větrnyacutech turbiacuten je i transformaacutetor kteryacute pomociacute elektromagnetickeacute indukce zvyšuje napětiacute proudu vznikajiacuteciacuteho ve větrneacute elektraacuterně Sběrnyacute systeacutem na miacutestě větrneacute elektraacuterny obvykle operuje se středniacutem napětiacute cca 25 - 35 kV Obraacutezek 3 zobrazuje zaacutekladniacute čaacutesti typickeacute větrneacute elektraacuterny Typickaacute větrnaacute elektraacuterna je vybavena regulačniacutem systeacutemem naklaacutepěniacute Pomociacute tohoto zařiacutezeniacute jsou uacutehly naacuteběhu listu rotoru staacutele regulovaacuteny tak aby byl rotor optimaacutelně přizpůsoben aktuaacutelniacutem větrnyacutem podmiacutenkaacutem Při vyššiacutech rychlostech větru regulačniacute systeacutemy zajišťujiacute aby vyacutekon elektraacuterny byl co možnaacute nejbliacuteže jmenoviteacuteho vyacutekonu Při nižšiacutech rychlostech optimalizujiacute předaacutevaacuteniacute vyacutekonu nastaveniacutem optimaacutelniacuteho počtu otaacuteček a optimaacutelniacuteho uacutehlu nastaveniacute rotorů Veškereacute funkce elektraacuterny jsou kontrolovaacuteny a řiacutezeny řiacutediacuteciacute jednotkou kteraacute je umiacutestěna

17

většinou ve věži Změny uacutehlu nastaveniacute listů rotoru jsou aktivovaacuteny pomociacute mžikoveacuteho ramene hydraulickyacutem systeacutemem kteryacute umožňuje listům rotovat axiaacutelně Elektricky pohaacuteněneacute převody se starajiacute o nataacutečeniacute celeacute gondoly ve směru větru Pohyb je uskutečňovaacuten pomociacute pastorku v gondole zasahujiacuteciacuteho do zubů otočneacuteho věnce kteryacute je upevněn na vrchniacute čaacutesti věže [2] Ložiskovyacute systeacutem směrovaacuteniacute větru je systeacutem kluzneacuteho ložiska se zabudovanou frikčniacute a blokujiacuteciacute funkciacute Listy rotoru jsou vyrobeny z epoxidoveacute pryskyřice vyztuženeacute skelnyacutem vlaacuteknem Každyacute list rotoru se sklaacutedaacute ze dvou polovin ktereacute jsou spojeny s nosnou traverzou Zvlaacuteštniacute oceloveacute vložky k ukotveniacute spojujiacute listy rotoru s ložiskem Brzděniacute rotoru probiacutehaacute pomociacute nastaveniacute listů Parkovaciacute brzda se nachaacuteziacute na vysokorychlostniacutem hřiacutedeli Gondola chraacuteniacute vnitřniacute komponenty elektraacuterny před povětrnostniacutemi podmiacutenkami a zviacuteřectvem Gondola je nejčastěji vyrobena z plastu[1]

Obr 4 Vztah rychlosti větru a vyacutekonu větrneacute elektraacuterny [8]

Jak je ukaacutezaacuteno na obraacutezku 4 vyacutekon větrneacute elektraacuterny je funkciacute rychlosti větru Vztah mezi vyacutekonem a rychlostiacute větru je definovaacuten pomociacute tzv vyacutekonoveacute charakteristiky kteraacute je unikaacutetniacute pro každou turbiacutenu v některyacutech přiacutepadech se může lišit i v zaacutevislosti na umiacutestěniacute elektraacuterny Pokud se budeme snažit generalizovat tak většina elektraacuteren začiacutenaacute produkovat vyacutekon při rychlosti větru okolo 2 ms jmenoviteacuteho vyacutekonu dosaacutehne okolo 13 ms a k odstaveniacute kolem 25 mskdy je nebezpečiacute poškozeniacute mechanickyacutech čaacutestiacute elektraacuterny a proto dojdek zabrzděniacute rotoru Proměnnost větru maacute za naacutesledek neustaacutelou změnu vyacutekonu Větrnaacute elektraacuterna umiacutestěna v lokaci s dobrou charakteristikou větru je schopna v ročniacutem průměru produkovat maximaacutelně 35 sveacute možneacute kapacity

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek

121Všeobecně

Vzhledem k tomu že větrneacute podmiacutenky jsou specifickeacute pro danou lokalitu a jsou vyacuterazně ovlivněny topologiiacute tereacutenu i překaacutežkami v okoliacute instalovaneacute větrneacute elektraacuterny je nutneacute ziacuteskat co nejpřesnějšiacute kvantitativniacute popis těchto podmiacutenek Elektrickeacute energie produkovanaacute danou větrnou elektraacuternou se vyacuterazně měniacute s odchylkami rychlosti větru od jejiacute středniacute hodnoty Jestliže 50 časoveacuteho uacuteseku

18

je rychlost větru 12 ms a 50 je rychlost 0 ms větrnaacute elektraacuterna vyrobiacute podstatně viacutece energie energie než když 100 tohoto času je rychlost větru 6 ms [3] Tato skutečnost vyplyacutevaacute ze zaacutevislosti vyacutekonu větrneacute elektraacuterny na třetiacute mocnině rychlosti větru [4] Pro vyhodnoceniacute očekaacutevaneacute produkce elektrickeacute energie v daneacute lokalitě je nutnaacute znalost distribuce rychlosti větru

122Počiacutetačoveacute modelovaacuteniacute

V širšiacutem měřiacutetku je možno modelovat průběh rychlosti větru počiacutetačovyacutem modelovaacuteniacutem Speciaacutelniacute vyacutepočetniacute algoritmy dokaacutežiacute popsat vliv různyacutech parametrů na rychlost větru jako je nadmořskaacute vyacuteška topografie a povrch tereacutenu Tyto modely musiacute použiacutevat vstupniacute data o charakteru větru ze znaacutemeacute lokace Roli těchto znaacutemyacutech lokaciacute zastupujiacute předevšiacutem meteorologickeacute stanice ktereacute nabiacuteziacute přesneacute měřeniacute směru a rychlosti větru pro daneacute miacutesto

Obr 5 Průměrnaacute rychlost větru v 10 m [16]

Tyto viacutetr mapujiacuteciacute programy dle znaacutemyacutech hodnot odvodiacute hodnoty rychlostiacute větru pro specifickou vyacutešku a miacutesto na zaacutekladě těchto hodnot se vytvaacuteřiacute tzv atlas větru Atlasy větru jsou vydaacutevaacuteny ve velkeacute množstviacute měřiacutetek od globaacutelniacutech map po mapy lokaacutelniacute U naacutes je zdrojem těchto map předevšiacutem ČHMUacute kteryacute tyto mapy poskytuje potencionaacutelniacutem investorům za uacuteplatu Větrneacute mapy reprezentujiacute nejlepšiacute

19

odhad větrnyacutech zdrojů na velkeacutem uacutezemiacute Nemohou však zastoupit měřeniacute větru přiacutemo na miacutestě anemometrem Sloužiacute k vybraacuteniacute lokality s větrnyacutem potenciaacutelem Dalšiacute vyhodnoceniacute vyacutenosnosti větrneacute elektraacuterny probiacutehaacute již na samotneacutem miacutestě budouciacute instalace a to vyhodnoceniacutem lokaacutelniacutech podmiacutenek ovlivňujiacuteciacutech rychlost prouděniacute větru

123Měřeniacute v miacutestě umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny

Měřeniacute rychlosti se provaacutediacute anemometrem umiacutestěnyacutem v předpoklaacutedaneacute vyacutešce rotoru aby byly vyacutesledky co možnaacute nejviacutece reprezentativniacute Samotneacute měřeniacute se obvykle provaacutediacute v průběhu jednoho roku Tato informace se uvaacutediacute nejčastěji formou sloupcoveacuteho diagramu např obr 6 kteryacute udaacutevaacute procentuaacutelniacute vyacuteskyt rychlosti větru

Obr 6 Četnost vyacuteskytu rychlostiacute větru proloženyacutech funkciacute Weibull

ve třiacutedaacutech o šiacuteřce 1 ms Ze sloupcoveacuteho grafu se vyhodnocuje středniacute rychlost větru zpravidla během jednoho roku většinou tzv Weibullovyacutem rozděleniacutem (fialovaacute křivka na obraacutezku 6) Středniacute rychlost je daacutele použiacutevaacutena při vyacutepočtech vyacutekonu Weibullova funkce je pravděpodobnostniacute dvouparametrovaacute funkce kteraacute maacute tvar

p(v) = kA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ sdot

vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdoteminus vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

kde p(v) pravděpodobnost vyacuteskytu rychlosti v v rychlost větru [ms] k tvarovyacute parametr [-] A parametr měřiacutetka [ms]

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Čet

nost

vyacutes

kytu

[]

Rychlost větru [ms]

20

Rychlost větru je nejnižšiacute na zemskeacutem povrchu a zvyšuje se se stoupajiacuteciacute vyacuteškou tento jev je spojen s vyacuteskytem mezniacute vrstvy při povrchu Vyacutekon větrneacute elektraacuterny je

Obr 7 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

v podstatě uacuteměrnyacute třetiacute mocnině středniacute rychlosti větru Hlavniacute snahou je tedy umiacutestit rotor co možnaacute nejvyacuteše Tento jev je ilustrovaacuten uvedenyacutem vertikaacutelniacutem rychlostniacutem profilem na obraacutezku 7 Z uvedeneacuteho grafu je patrneacute zvyacutešeniacute rychlosti až do vyacutešky 40 - 50 m Kvantitativně tento jev shrnuje obecnaacute tabulka 1 v přiacutepadě je uvažovaacuten nominaacutelniacute vyacutekon při vyacutešce osy rotoru 10 m potom je růst vyacutekonu s rostouciacute vyacuteškou naacutesledujiacuteciacute

Vyacuteška osy rotoru

Zvyacutešeniacute vyacutekonu

10 m 0

19 m 41

27 m 75

36 m 100

46 m 125

Tab 1 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vyacutešk

a [m

]

Rychlost větru[ms]

21

124 Miacutestniacute faktory ovlivňujiacuteciacute rychlost větru

Rychlost větrneacuteho prouděniacute neovlivňujiacute pouze globaacutelniacute faktory jako je topografie geografickeacute umiacutestěniacute a dalšiacute faktory širšiacuteho charakteru Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru se měniacute takeacute s drsnostiacute povrchu turbulenciacute za překaacutežkami Zvyacutešenaacute drsnost povrchu v protisměru převlaacutedajiacuteciacuteho větru může zvyacutešit jeho rychlost v ose rotoru s naacuteslednyacutem zvyacutešeniacutem vyacutekonu [2] Pro kvantitativniacute vyhodnoceniacute vlivu drsnosti povrchu na rychlost větru se použiacutevaacute vztah mezi vyacuteškami osy rotoru a odpoviacutedajiacuteciacutemi rychlostmi větru a vypadaacute takto

kde v rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce osy rotoru h vref rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce rotoru href α exponent jehož hodnota vyjadřuje charakter drsnosti

Pro danou lokalitu je potřebneacute naleacutezt hodnotu exponentu α z vyacutesledků měřeniacute rychlosti větru Typickeacute obecneacute hodnoty exponentů pro větrnou elektraacuternu s referenčniacute vyacuteškou 35 m jsou v tabulce 2

Drsnost povrchu α [ - ]

Faktor zvyacutešeniacute [ - ]

Velmi niacutezkaacute (klidnaacute hladina moře)

010 145

Niacutezkaacute (louky pole)

016 182

Průměrnaacute (les křoviny)

020 212

Vyššiacute (vesnice roztroušeneacute domy)

028 286

Vysokaacute (město s vysokyacutemi budovami)

040 450

Tab 2 Hodnoty exponentu α [4]

Dalšiacutem důležityacutem faktorem ovlivňujiacuteciacutem rychlost větru a chod větrneacute elektraacuterny je turbulence Turbulence je charakterizovanaacute rychlyacutemi změnami rychlosti větru a je měřena standardniacute odchylkou σ od středniacute hodnoty okamžiteacute rychlosti větru zaznamenanyacutech každeacute 2 sekundy po dobu 10 minut Intenzita turbulence je definovanaacute ke středniacute hodnotě rychlosti větru vstr je často definovanaacute jako

v = vref sdothhref

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

α

22

Intenzitu turbulence v miacutestě zamyacutešleneacute instalace větrneacute elektraacuterny je potřebneacute porovnat se standarty mezinaacuterodniacute elektrotechnickeacute komise IEC Tyto standarty pomaacutehajiacute při určeniacute zda turbulence v daneacutem miacutestě nejsou mimo předepsaneacute limity Pokud hodnoty intenzity turbulenciacute přesahujiacute limity způsobily by zkraacuteceniacute životnosti větrneacute elektraacuterny hlavně vlivem uacutenavy konstrukčniacutech materiaacutelů IEC standarty použiacutevajiacute 2 hodnoty

vysokyacute horniacute limit VHL = 012middotvstr+095 niacutezkyacute horniacute limit NHL = 012middotvstr+060

Je-li intenzita turbulence menšiacute než niacutezkyacute horniacute limit je lokalita vhodnaacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Pokud je intenzita většiacute než vysokyacute horniacute limit vyacutestavba neniacute vhodnaacute Turbulence děliacuteme podle druhu vzniku na mechanickou termickou a dynamickou Mechanickaacute turbulence vznikaacute třeniacutem proudiacuteciacuteho vzduchu o nerovnyacute zemskyacute povrch Intenzita mechanickeacute turbulence je zaacutevislaacute na členitosti tereacutenu (stromy les budovy) a na rychlosti větru Zvlaacuteštniacutem druhem mechanickeacute turbulence je turbulence orografickaacute Orografickaacute turbulence vznikaacute důsledkem prouděniacute vzduchu přes horskeacute překaacutežky Tato turbulence vznikaacute i při stabilniacutem zvrstveniacute vzduchu v důsledku vyacuterazneacute deformace vzdušneacuteho proudu V zaacutevětřiacute horskyacutech hřebenů vznikajiacute vertikaacutelniacute pohyby o rychlosti plusmn 10 ms Jeseniacuteky jsou u pilotů kluzaacuteku vyhledaacutevaacuteny praacutevě kvůli časteacutemu vyacuteskytu orografickeacute turbulence kteraacute jim dovoluje provaacutedět přelety v řaacutedech stovek kilometrů Termickaacute turbulence vznikaacute v důsledku labilniacuteho zvrstveniacute atmosfeacutery při prouděniacute studeneacuteho vzduchu nad teplejšiacute povrch nebo v důsledku nerovnoměrneacuteho ohřevu zemskeacuteho povrchu Dynamickaacute turbulence vznikaacute v oblastech velkeacuteho střihu větru Nejčastěji je spojena s oblastmi proudoveacuteho toku

I = σvstr

23

2Elektrolyacuteza

Viacutece než 400 průmyslovyacutech vodniacutech elektrolyzeacuterů bylo v provozu na začaacutetku devatenaacutecteacuteho stoletiacute V roce 1939 byla vybudovaacutena prvniacute velkaacute tovaacuterna v Lonze využiacutevajiacuteciacute vodniacute elektrolyacutezu kteraacute produkovala 10000 Nm3 H2 hod Převaacutežnaacute většina světově produkovaneacuteho vodiacuteku je spotřebovaacutena v petrochemickeacutem průmyslu a při vyacuterobě amoniaku a methanolu Elektrolytickyacute vodiacutek je využiacutevaacuten v menšiacutech aplikaciacutech zvlaacuteště tam kde je požadovaacutena vysokaacute čistota vodiacuteku V potravinaacuteřskeacutem průmyslu je vodiacutek použiacutevaacuten pro zvyacutešeniacute stupně nasyceniacute u tuků a olejů zvyšuje tak jejich bod taacuteniacute a odolnost vůči oxidaci V elektronickeacutem průmyslu je použiacutevaacuten jako redukčniacute činidlo v epitaxaacutelniacutem růstu polysilikonu a ve vyacuterobě integrovanyacutech obvodů V jaderneacutem průmyslu vodiacutek zastupuje roli čističe kysliacuteku kdy odstraňuje kysliacutekoveacute stopy ktereacute mohou způsobit korozniacute poškozeniacute materiaacutelu Maleacute množstviacute vodiacuteku je použiacutevaacuteno takeacute ve farmaceutickeacutem sklaacuteřskeacutem a plasma průmyslu Diacuteky sveacute dobreacute tepelneacute vodivosti je použiacutevaacuten jako chladiacuteciacute meacutedium v elektrickyacutech generaacutetorech elektraacuteren Proces elektrolyacutezy je elektrochemickyacute rozpad molekuly vody na jednotliveacute složky jmenovitě vodiacutek a kysliacutek [7] Podle druhu elektrolytu použiacutevaneacuteho pro přenos elektrickeacuteho proudu v procesu děliacuteme elektrolyacutezu vody na 4 zaacutekladniacute typy Na začaacutetku 19 stoletiacute použiacutevaly prvniacute zařiacutezeniacute na elektrolyacutezu jako elektrolyt kyselinu později bylo od teacuteto metody odstoupeno převaacutežně pro probleacutemy s koroziacute Elektrolyzeacutery použiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolytickou membraacutenu jsou druhyacutem typem Použitaacute membraacutena vodiacute protony a nepropouštiacute kysliacutek Tato technologie je relativně novaacute takže v současneacute době neexistujiacute velkeacute aplikace tohoto druhu elektrolyacutezy Dalšiacutem typem elektrolyacutezy je tzv parniacute elektrolyacuteza probiacutehajiacuteciacute při vysokeacute teplotě použiacutevajiacuteciacute keramickyacute elektrolyt vodiacuteciacute kysliacutekovyacute ion tento způsob maacute potenciaacutel pro vysokou uacutečinnost v současneacute době prokaacutezanou pouze laboratorně V dnešniacute době je nejrozšiacuteřenějšiacute elektrolyacuteza použiacutevajiacuteciacute alkalickyacute elektrolyt nejčastěji hydroxid draselnyacute

21Princip elektrolyacutezy

Při vedeniacute stejnosměrneacuteho proudu mezi dvěma elektrodami ve vodě vznikaacute vodiacutek kysliacutek a teplo podle naacutesledujiacuteciacute rovnice

Čistaacute voda je ovšem špatně vodivaacute proto se musiacute byacutet přidaacuten vodivyacute elektrolyt kteryacute zajistiacute technicky akceptovatelnou uacuteroveň potřebneacuteho napětiacute Elektrickeacute napětiacute přivedeneacute na elektrody musiacute přesaacutehnout minimaacutelniacute hodnotu tak aby reakce proběhla Hodnota tohoto napětiacute je určena Gibbsovou entalpiiacute rozkladu vody a je funkciacute tlaku a teploty Za standardniacutech podmiacutenek (teplota 25 degC tlak 1 bar) je to 123 V Teoretickaacute energie potřebnaacute pro průběh elektrolyacutezy se vyjadřuje pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vyacuterazu

kde ΔH změna entalpie reakce ΔG změna Gibbsovy volneacute energie T teplota a ΔS změna entropie Změna entalpie při standardniacutech podmiacutenkaacutech je 2858 kJmol Změna Gibbsovy volneacute energie je při standardniacutech podmiacutenkaacutech 2372 kJmol To znamenaacute

H2O⎯rarr⎯ H2 +12O2

ΔH = ΔG +T sdot ΔS

24

že 2372 kJ mol z 2858 kJmol musiacute byacutet dodaacuteno elektrickyacutem proudem a zbylaacute čaacutest může byacutet dodaacutena elektrickyacutem proudem nebo teplem V reaacutelnyacutech podmiacutenkaacutech pro niacutezkoteplotniacute elektrolyacutezy je však veškeraacute potřebnaacute energie dodaacutena elektrickyacutem proudem [8] Dalšiacute termodynamickou charakteristikou elektrolyacutezy je reverzibilniacute napětiacute Vyjadřuje minimaacutelniacute elektrickyacute potenciaacutel potřebnyacute k elektrolytickeacute reakci při standardniacutech podmiacutenkaacutech se rovnaacute 123 V

kde 2 je počet elektronů potřebnyacutech k rozděleniacute molekuly vody a F je Faradayova konstanta Termoneutraacutelniacute napětiacute je napětiacute při ktereacutem by pracoval dokonale efektivniacute člaacutenek v přiacutepadě že veškereacute potřebnaacute energie je dodaacutevaacutena elektrickyacutem proudemPro standardniacute podmiacutenky se rovnaacute 148 V a je vyjaacutedřeno naacutesledujiacuteciacutem vztahem

Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem menšiacutem než je napětiacute reverzibilniacute nedojde k rozkladu molekuly vody Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem v rozmeziacute mezi reverzibilniacutem a termoneutraacutelniacutem napětiacute elektrolytickyacute proces je endotermickyacute Je potřeba dodat teplo pro rozpad molekuly vody Napětiacute většiacute než termoneutraacutelniacute napětiacute maacute za naacutesledek že proces je exotermickyacute a veškeraacute energie je dodaacutena z elektrickeacuteho proudu Přidaneacute teplo je potřeba odstranit Reversibilniacute i termoneutraacutelniacute napětiacute jsou funkcemi teploty tlaku a složeniacute elektrolytu [8] Zaacutekladniacutemi čaacutestmi člaacutenku na vodniacute elektrolyacutezu je katoda anoda a oddělovač Katoda musiacute byacutet odolnaacute korozi umiacutestěnaacute v elektrolytu s redukčniacutem potenciaacutelem Katoda musiacute byacutet dobryacute vodič a miacutet strukturaacutelniacute celistvost Elektrody jsou od sebe odděleny membraacutenou nepropouštějiacuteciacute plyny

22Typy elektrolyacutezy

221Alkalickaacute elektrolyacuteza

Alkalickaacute elektrolyacuteza je v současnosti komerčně nejpoužiacutevanějšiacute elektrolyacutezou Tři největšiacute elektrolyzeacutery byly instalovaacuteny ve 40 letech na dodaacutevky vodiacuteku do zařiacutezeniacute na vyacuterobu amoniaku a naacuteslednou vyacuterobu hnojiva Tyto elektrolyzeacutery jsou umiacutestěny v Indii (De Nora) Norsku (Norsk-Hydro) a Egyptě (Demag) Obraacutezek 8 scheacutematicky zobrazuje alkalickyacute elektrolytickyacute člaacutenek

Erev =ΔG2 sdotF

Etn =ΔH2 sdotF

25

Obr 8 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [8]

V alkalickeacutem člaacutenku probiacutehaacute naacutesledujiacuteciacute zjednodušenaacute reakce

V elektrolytu 2H2O⎯rarr⎯ 2H + + 2OH minus

Na katodě 2H + + 2eminus ⎯rarr⎯ H2

Na anodě 2OH minus ⎯rarr⎯ 1

2+ H2O + 2eminus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ H2 +O2

Alkalickaacute elektrolyacuteza probiacutehaacute při teplotě kolem 80degC a při tlaku v rozmeziacute 1 až 30 barů Pro průběh elektrolyacutezy je zapotřebiacute zajistit plynulyacute pohyb hydroxidovyacutech ionů (OH-) z katody na anodu ale zabraacutenit smiacutechaacuteniacute produkovanyacutech plynů Tyto požadavky splňuje tzv separaacutetor (membraacutena nebo clona) Separaacutetorje umiacutestěn mezi elektrody a diacuteky svyacutem charakteristickyacutem vlastnostem propouštiacute hydroxidoveacute iony zatiacutemco zabraňuje v pronikaacuteniacute jednotlivyacutech plynů Voda je obvykle přidaacutevaacutena do cirkulujiacuteciacuteho elektrolytu je to takeacute způsob jak odstranit odpadoveacute teplo z reakce a kontrolovat teplotu procesu Tradičniacute alkalickeacute elektrolyzeacutery jsou konstruovaacuteny pomociacute tzv zero gap design (naacutevrh bez mezery) kde anoda i katoda jsou umiacutestěny do bezprostředniacute bliacutezkosti separaacutetoru Umiacutestěniacute obou elektrod bliacutezko sebe maacute za naacutesledek sniacuteženiacute ohmickyacutech ztraacutet v elektrolytu Pokud se při elektrolyacuteze vytvaacuteřiacute bublinky plynů jsou transportovaacuteny do zadniacute strany elektrod skrze mezery v perforovanyacutech elektrodaacutech a tiacutem paacutedem nebudou blokovat proud ionů mezi elektrodami Vodiacutek je ziacuteskaacutevaacuten na katodaacutech jeho čistota je až 98 objemovyacutech kde jedinyacutemi nečistotami jsou kysliacutek a voda Vodiacutek může byacutet daacutele čištěn až na koncentraci teacuteměř 100 a to odstraněniacutem kysliacuteku v katalytickeacutem deoxideacuteru a vody v sušičce Těmito procedurami ovšem ztratiacuteme 5-10 celkoveacute produkce vodiacuteku Je potřeba si tuto ztraacutetu uvědomit při požadavciacutech na 100 čistyacute vodiacutek

26

Na obraacutezku 9 je zjednodušenyacute diagram průmysloveacuteho uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy Vodiacutek a kysliacutek opouštějiacute proces kde dochaacuteziacute k elektrochemickeacute disociaci vody odděleně přes naacutedoby HV a OV kde jsou odstraňovaacuteny zbytky elektrolytickeacuteho roztoku Elektrolyt a plyny jsou daacutele ochlazeny Z naacutedob pokračujiacute přes filtry HF A OF k odstraněniacute stop po elektrolytu Kysliacutek je uložen nebo spotřebovaacuten v dalšiacutech aplikaciacutech Vodiacutek může byacutet takeacute použiacutet ihned po průchodu filtry nicmeacuteně na obraacutezku 9 prochaacuteziacute dalšiacute čistiacuteciacute sekciacute Čistiacuteciacute sekce se sklaacutedaacute z deoxideacuteru kde dochaacuteziacute ke spalovaacuteniacute kysliacuteku obsaženeacuteho ve vodiacuteku na vodniacute paacuteru kteraacute je daacutele odstraněna v sušičce

Obr 9 Průmysloveacute uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy [7]

222Elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute membraacutenu

Kyseleacute roztoky nejsou v dnešniacute době přiacuteliš použiacutevaacuteny v průmysloveacute elektrolyacuteze vody ale i přesto nabiacutezejiacute alternativu k tekutyacutem alkalickyacutem elektrolytům Polymerniacute membraacuteny se vyznačujiacute velmi dobrou vodivostiacute protonů a špatnou vodivostiacute elektronů Polymerniacute membraacutena tak umožňuje tok protonů mezi elektrodami a zaacuteroveň zabraňuje stejneacutemu pohybu elektronů Elektrony musiacute použiacutet vnějšiacute obvod pro přechod mezi elektrodamiPro kyselyacute elektrolyt vypadaacute rovnice elektrolyacutezy naacutesledovně

Katoda 2H 3O + 2eminus ⎯rarr⎯ 2H2O + H2

Anoda 3H2O⎯rarr⎯ 2H 3O+ +O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

27

Obr 10 Scheacutema elektrolyacutezy s polymerniacute membraacutenou

Polymerniacute membraacutena zastupuje roli jak separaacutetoru tak elektrolytu Většina materiaacutelu membraacuten je založena na sulfonovanyacutech fluoropolymerech k vedeniacute protonů Nejznaacutemějšiacute materiaacutelem membraacuten je tzv Nafionreg kteryacute byl vyvinut společnostiacute Dupont Sulfonoveacute kyseliny jsou vysoce hydrofilniacute (přitahuje vodu) na druhou stranu fluropolymer je hydrofobniacute (odpuzuje vodu) Uvnitř hydratovanyacutech oblastiacute se H+ iony (protony) mohou relativně volně pohybovat tedy vytvaacuteřet zřeďovaneacute kyseliny H+ iony se mohou pohybovat na kraacutetkeacute vzdaacutelenosti i mimo hydratovaneacute oblasti pomociacute podporujiacuteciacutech dlouhyacutech molekulovyacutech struktur Tento pohyb je mnohem obtiacutežnějšiacute Hydratovanaacute membraacutena je tedy jeden z důležityacutech faktorů usnadňujiacuteciacute pohyb protonů a tiacutem paacutedem celkovou miacuteru elektrolyacutezy Horniacute limit teploty pro vyacuteměnu elektronů membraacutenou je okolo 125-150 degC ale většina elektrolyzeacuterů pracuje v režimu s tekutou vodou při teplotě cca 80 degC Vyššiacute pracovniacute teploty ktereacute by zlepšily kinematiku reakce můžeme dosaacutehnout diacuteky novyacutem polymerniacutem materiaacutelům nebo keramickyacutem materiaacutelům vodiacuteciacutem protony Vyššiacute teplota ovšem maacute za naacutesledek generaci většiacuteho množstviacute tepla Teplo musiacute byacutet odstraněno pomociacute cirkulace dostatečneacuteho množstviacute vody podeacutel anodoveacute elektrody člaacutenku Elektrody jsou většinou tvořeny tenkou vrstvou platinoveacuteho katalyzaacutetoru připevněneacuteho k membraacuteně Platina je považovaacutena za nejlepšiacute katalyzaacutetor jak pro anodu tak katodu diacuteky svyacutem termodynamickyacutem a kinetickyacutem vlastnostem Platina je nejnaacutekladnějšiacute čaacutesti elektrolytickyacutech člaacutenků i přes to že se množstviacute použiacutevaneacute platiny značně sniacutežilo [9] Elektrolyacuteza s pevnou membraacutenou pracuje s vyššiacute proudovou hustotou než alkalickaacute elektrolyacuteza I přes vyššiacute ceny materiaacutelů je pro ně potřebnaacute menšiacute plocha člaacutenků pro produkci stejneacuteho množstviacute vodiacuteku než pro alkalickeacute člaacutenky

28

223Parniacute elektrolyacuteza

Parniacute elektrolyacuteza probiacutehaacute za mnohem vyššiacute teploty než předešleacute typy typicky je to kolem 900-1000 degC a voda je do procesu přivaacuteděna jako paacutera Elektrolyt je vyroben z pevneacuteho keramickeacuteho materiaacutelu kteryacute vede kysliacutekoveacute iony Vysokaacute provozniacute teplota je nezbytnaacute pro keramickyacute materiaacutel aby byl dostatečně iontově vodivyacute Parniacute elektrolyzeacutery dodaacutevajiacute velkou čaacutest potřebneacute energie na elektrolyacutezu pomociacute tepla z paacutery miacutesto elektřiny [9] Principiaacutelně funguje stejně jako elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolyt Pevnyacute keramickyacute elektrolyt dovoluje kysliacutekovyacutem ionům prochaacutezet materiaacutelem od katody k anodě zatiacutemco zabraňuje pohybu elektronů ktereacute se přemisťujiacute externiacutem obvodem Keramickyacute elektrolyt takeacute zabraňuje promiacutechaacutevaacuteniacute vznikajiacuteciacutech plynů Na obraacutezku 11 je scheacutematicky zobrazen princip parniacute elektrolyacutezy

Obr 11 Princip parniacute elektrolyacutezy [9]

Zaacutekladniacute reakce probiacutehaacute v elektrodaacutech a odlišuje se od předešlyacutech způsobů elektrolyacutezy Celkovaacute reakce rozpadu vody zůstaacutevaacute nezměněna

Katoda H2O + 2eminus ⎯rarr⎯ H2 +O2minus

Anoda O2minus ⎯rarr⎯ 1

2O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

Vodniacute paacutera je je přivaacuteděna do komory u anody kde reaguje s elektrony a rozpadne se na vodiacutekoveacute a kysliacutekoveacute ionty Po přechodu k anodě kysliacutekoveacute ionty uvolňujiacute elektrony a tak vytvořiacute plynnyacute kysliacutek

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů

Za uacutečelem ziacuteskaacuteniacute požadovaneacuteho množstviacute vodiacuteku jsou elektrolyzeacutery tvořeny většiacutem počtem elektrolytickyacutech člaacutenků nebo paacuterů elektrod ktereacute mohou byacutet spojeny seacuteriově nebo paralelně Existujiacute dva druhy uspořaacutedaacuteniacute člaacutenků a to monopolaacuterniacute (naacutedržovyacute) a bipolaacuterniacute

29

V monopolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute je každaacute elektroda spojena a je napaacutejena externiacutem proudem Elektrody jsou jedno-polaacuterniacute každaacute je katoda nebo anoda Člaacutenky jsou spojeny paralelně tudiacutež napětiacute je stejneacute jak v jednotlivyacutech člaacutenciacutech tak v celeacute naacutedrži bez ohledu na celkovyacute počet člaacutenků Napětiacute je typicky kolem 12 - 2 V Tato konfigurace je jednoduchaacute robustniacute a snadnaacute na uacutedržbu Použiacutevajiacute se relativně levneacute čaacutesti a jednotliveacute buňky jsou snadno izolovatelneacute pro provedeniacute uacutedržby Ze sveacute podstaty maacute většiacute spotřebu energie diacuteky poklesu potenciaacutelu v člaacutenciacutech a je nutneacute použiacutevat vysokyacute proud pro přiměřenou produkci [9]

Obr12 Princip monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute [9]

V bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute jsou elektrody bipolaacuterniacute každaacute elektroda je na jedneacute straně anoda a na druheacute katoda s vyacutejimkou dvou koncovyacutech elektrod z nichž je jedna anoda a druhaacute katoda Buňky jsou spojeny elektricky paralelně a hydraulicky seacuteriově jak je zobrazeno na obraacutezku 13 Proud teče z jedneacute buňky do druheacute a tiacutem paacutedem je stejnyacute pro všechny buňky Celkoveacute napětiacute člaacutenku je rovno součtu napětiacute jednotlivyacutech buněk Každeacute napětiacute zaacutevisiacute na proudoveacute hustotě což je proud na jednotku plochy elektrody a na teplotu elektrolyacutezy V praxi je volt-ampeacuterovaacute charakteristika elektrolyzeacuteru unikaacutetniacute zaacutevisejiacuteciacute na aktivitě elektrody tepelneacute uacutečinnosti a dalšiacutech konstrukčniacutech charakteristikaacutech elektrolyzeacuteru [7]

Obr 13 Princip bipolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute zdroj [9]

V současneacute době neexistujiacute elektrolyzeacutery vyvinuty speciaacutelně pro použitiacute s větrnyacutemi elektraacuternami nicmeacuteně rychlaacute reakce elektrochemickeacuteho systeacutemu na změny energie je dělaacute vhodnyacutemi pro zaacutetěž vyskytujiacuteciacute se při tomto spojeniacute

30

s větrnyacutemi rotory Vyacutepadky dodaacutevek elektřiny však mohou způsobit probleacutemy s koroziacute na elektrodaacutech pokud nejsou chraacuteněny polarizačniacutem proudem v přiacutepadě vyacutepadku dodaacutevky

24Uacutečinnost elektrolyacutezy

V literatuře existuje nejednotnost vyacutekladu co vlastně uacutečinnost elektrolyacutezy je a jak se určuje Autoři zmiňujiacute uacutečinnost energetickou uacutečinnost elektrickou uacutečinnost proudovou uacutečinnost elektrochemickou uacutečinnost Daacutele takeacute zaacutevisiacute zda se jednaacute o uacutečinnost celeacuteho systeacutemu nebo jednotlivyacutech člaacutenků[9][7]Nejobecnějšiacute definice energetickeacute uacutečinnosti elektrolytickeacuteho procesu je

Energetickaacute uacutečinnost = Energetickyacute vyacutestup Celkovaacute dodanaacute energie

V přiacutepadě konvenčniacute vodniacute elektrolyacutezy je energetickyacute vstup limitovaacuten velikostiacute dodaneacute elektrickeacute energie proto je energetickaacute uacutečinnost definovaacutena poměrem energie kteraacute může byacutet obnovena reoxidaciacute vodiacuteku a kysliacuteku za vzniku vody (vyacutehřevnost vodiacuteku) a energie dodaneacute systeacutemu prostřednictviacutem elektrickeacuteho proudu

Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy = Vyacutehřevnost Celkovaacute vstupniacute elektrickaacute energie

Podle teacuteto definice může uacutečinnost přesaacutehnout hodnotu 100 jelikož nebere v uacutevahu energii dodanou do procesu teplem Toto je přiacutepad kdy elektrolyzeacuter pracuje pod termoneutraacutelniacutem napětiacutem když teplo okoliacute je použito jako energetickyacute zdroj a definice jej nebere v uacutevahu [9] Na uacuterovni člaacutenku se energetickaacute uacutečinnost elektrolyacutezy vyjadřuje jako poměr termoneutraacutelniacuteho napětiacute UTN (při standardniacutech podmiacutenkaacutech UTN = 148 V) vůči skutečneacutemu napětiacute člaacutenku U vynaacutesobeno uacutečinnostiacute proudu Uacutečinnost proudu φP je jednoduše poměr počtu elektronů teoreticky potřebnyacutech pro pro vyacuterobu daneacuteho množstviacute vodiacuteku ku skutečneacutemu počtu elektronů dodanyacutech elektrickyacutem proudem potřebnyacutech k vyacuterobě daneacuteho množstviacute vodiacuteku Tato uacutečinnost je typicky kolem 999 Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy ηel je tedy vyjaacutedřena naacutesledujiacuteciacutem vztahem

V zaacutevislosti na zvoleneacutem typu elektrolyacutezy a pracovniacutemi podmiacutenkami se uacutečinnost pohybuje v rozmeziacute 75 - 95 Takto vysokeacute hodnoty uacutečinnosti platiacute pro elektřinu jako zdroj energie Pokud ovšem vezmeme elektřinu jako energetickyacute vyacutestup jineacuteho energetickeacuteho zdroje jako např uhliacute zemniacute plyn nebo zdroje obnovitelneacute energie tak celkoveacute uacutečinnost vyacuteroby vodiacuteku elektrolyacutezou klesne na hranici 30

25Napětiacute člaacutenků

Spotřeba energie elektrolyacutezy je přiacutemo spojena s napětiacutem na člaacutenku a nepřiacutemo s proudovou uacutečinnostiacute Jak už bylo zmiacuteněno dřiacuteve proudovaacute uacutečinnost se bliacutežiacute k hodnotě 100 tzn že důležityacutem parametrem při navrhovaacuteniacute elektrolytickyacutech člaacutenku je napětiacute na člaacutenku

ηel =UTN

UsdotϕP

31

Elektrolyacuteza vody za skutečnyacutech podmiacutenek vyžaduje napětiacute U ktereacute je podstatně vyššiacute než vratneacute napětiacute Urev Musiacute překonat elektrickyacute odpor v elektrodaacutech v elektrolytu mezi elektrodami a separaacutetoru Daacutele musiacute pokryacutet přepětiacute na elektrodaacutech Napětiacute na člaacutenku pak může byacutet vyjaacutedřeno

kde ηK je přepětiacute na katodě ηA je přepětiacute na anodě j je proudovaacute hustota a R je suma elektrickyacutech odporů založenaacute na aktivniacute ploše elektrod Elektrickyacute odpor v elektrodaacutech zaacutevisiacute na typu složeniacute materiaacutelu a teplotě Přepětiacute je určeno aktivitou plochy elektrod složeniacute elektrolytu a teplotou Ohmickyacute odpor spojenyacute s pohybem elektronů je v relativně nevyacuteznamnyacute v bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute představuje ale nezanedbatelnyacute vliv v přiacutepadě monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů [9]

26Vliv provozniacutech podmiacutenek

261Teplota

Zvyacutešeniacute teploty elektrolyacutezy snižuje vratneacute napětiacute UREV a tiacutem paacutedem i celkovou energii vstupujiacuteciacute do procesu Pokud teplota vzroste z 250degC na 1000degC vstupniacute elektrickaacute energie může byacutet sniacutežena o 25 Nicmeacuteně celkovaacute energie potřebnaacute k provedeniacute elektrolyacutezy při vysokeacute teplotě je o něco vyššiacute Vyacutehoda vysokeacute teploty v elektrolytickeacutem procesu je použitiacute tepla jako energetickeacuteho vstupu a tiacutem zvyacutešeniacute uacutečinnosti diacuteky zvyacutešeneacute kinetice procesu Pokud je zdroj tepla snadno dostupnyacute je všeobecně mnohem levnějšiacute než elektřina tento fakt pak může značně ovlivnit celkovou ekonomiku procesu [9]

262Tlak

Tlak při procesu elektrolyacutezy maacute takeacute vliv na energetickeacute požadavky pro vyacuterobu elektrolytickeacuteho vodiacuteku Vratneacute napětiacute při daneacute teplotě T a tlaku p může byacutet určeno z Nernstovi rovnice jako

kde R označuje univerzaacutelniacute plynovou konstantu n počet elektronů potřebnyacutech pro rozděleniacute molekuly vody (n=2) F pro Faradayovu konstantu a aktivita jednotlivyacutech molekul Urev T p=1 vratneacute napětiacute při teplotě T [K] a standardniacutem tlaku p=1 bar Aktivizačniacute koeficienty vodiacuteku aH2 a kysliacuteku aO2 mohou byacutet ziacuteskaacuteny z poměru tlaku vůči atmosferickeacutemu tlaku aH2=pH2p a aO2=pO2p Daacute se předpoklaacutedat že pH2=pO2=p protože tlak na Urev T p=1 kysliacutekoveacute i vodiacutekoveacute straně je stejnyacute Daacutele aktivita vody je přibližně rovna 1 a tlak p=1 bar pak dojde ke zjednodušeniacute Nernstovi rovnice na tvar

Pro teplotu T=298K napětiacute roste s tlakem podle tabulky 3

U =Urev +ηK +ηA + j sdotR

UrevT p =UrevT p=1 +R sdotTn sdotF

lnaH2 sdot(aO2 )

05

aH2O

UrevT p =UrevT p=1 +3sdotR sdotT4 sdotF

ln p

32

Tlak p [bar] 10 30 50 100 200

Urev T p=1 [mV] 44 65 75 89 102

Tab 3 Zaacutevislost reversibilniacuteho napětiacute na tlaku [7]

Elektrolyzeacuter pracujiacuteciacute při tlaku 10 barů při 155V by potřeboval pouze 1608 V pro praacuteci při 200 barech založeno na teoretickeacute uacutevaze kdy (155 V + (102 mV - 44mV))= 162 V Vysokyacute tlak sice zvyšuje teoretickeacute vratneacute napětiacute pouze o paacuter procent i tak je staacutele vyacutehodneacute ho použiacutet ve skutečnyacutech elektrolyzeacuterech a to z důvodu sniacuteženiacute spotřeby energie a to diacuteky zvyacutešeneacute efektivitě (snižuje pracovniacute napětiacute) a vyššiacute dosažitelneacute proudoveacute hustotě Vysokyacute tlak daacutele redukuje velikost plynovyacutech bublinek na plochaacutech elektrod tiacutem zvyšuje vyacutekon buňky Vyacutehody tak převaacutežiacute lehkeacute zvyacutešeniacute teoretickeacuteho napětiacute Hlavniacutem důvodem pro použitiacute vysokotlakeacuteho procesu elektrolyacutezy je ovšem absence potřeby stlačovaacuteniacute vodiacuteku po jeho produkci a tiacutem paacutedem sniacuteženiacute naacutekladů Elektrolyzeacutery dokaacutežiacute zajistit zvyacutešeniacute tlaku při relativně maleacute potřebě energie Malyacute pokles energetickeacute uacutečinnosti procesu vyvaacutežiacute eliminaci kompresoru při dalšiacutem zpracovaacuteniacute vodiacuteku Vysokyacute tlak kolem 400 barů může způsobit mechanickeacute probleacutemy na elektrolyzeacuteru a tiacutem zvyacutešit investičniacute naacuteklady

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku

Spotřeba energie elektrolytickyacutem člaacutenkem může byacutet určena přiacutemyacutem způsobem z pracovniacuteho napětiacute člaacutenku U a proudoveacute uacutečinnosti φP Počet elektronů e- potřebnyacutech pro ziacuteskaacuteniacute jednoho kilogramu vodiacuteku z vodniacute elektrolyacutezy je bez ohledu na pracovniacute podmiacutenky fixniacute a to 26589 kAh Tato hodnota vychaacuteziacute z faktu že 2 elektrony jsou potřeba k vytvořeniacute jedneacute molekuly vodiacuteku z vody zbylaacute čaacutest je jednoduchaacute konverze jednotek zohledněniacutem molaacuterniacute hmotnosti vodiacuteku

Specifickaacute energie elektrolyzeacuteru K v kWhkg H2 pak může byacutet určena pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

kde U je průměrneacute pracovniacute napětiacute jednoho člaacutenku a φi proudovaacute uacutečinnost Tato rovnice nezohledňuje energii potřebnou ke stlačeniacute vodiacuteku pokud je požadovaacuten tlak vyššiacute než kteryacute je na vyacutestupu z elektrolyzeacuteru Nezahrnuje ani malou čaacutest energie potřebnou k de-ionizaci vody a ke konverzi ze střiacutedaveacuteho na stejnosměrnyacute proud Každopaacutedně rovnice naacutem daacutevaacute dobrou představu o spotřebě energie pro samotnyacute elektrolyzeacuter V tabulce 4 jsou shrnuty zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

2eminus

H2

sdot 1000gH2

2016gH2 molH2

sdot 96487Cmol

sdot 1eminus

sdot 1kA1000C s

sdot 1h3600s

= 26589kAh

K = 26589 sdotUϕi

33

Alkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacuteza El pevneacuteho polymeru

Parniacute el

Technologie Konvenčniacute al el

Moderniacuteal el

Inorganickaacutemembraacutenaal el

Pevnyacutepolymer

Vysoko tep lo tn iacute elektrolyzeacuter

Napětiacute člaacutenku [V] 18 - 22 15 - 25 16 - 19 14 - 20 095 - 13

P r o u d o v aacute hustota[Acm2]

013 - 025 02 - 20 02 - 10 10 - 40 03 - 10

Teplota [degC] 70 - 90 80 - 145 90 - 120 80 - 150 900 - 1000

Tlak [bar] 1 - 2 až do 120 až do 40 až do 400 900 - 1000

Elektrolyt 25 - 35 KOH

25 - 40 KOH

14 - 15KOH

Flurosulfonovaacutekyselina Keramickyacute

Uacute č i n n o s t člaacutenku [] 77 - 80 80 - 90 85 - 95 85 - 98 90 - 99

S p o t ř e b a energie [kWhNm3 H2]

43 - 49 38 - 43 36 - 40 36 - 40 25 - 35

Tab 4 Zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

34

3Metody uskladněniacute vodiacuteku

Z důvodu pokrytiacute denniacutech a sezonniacutech rozdiacutelů mezi dostupnostiacute energie a požadavky na tuto energii musiacute byacutet vodiacutek skladovaacuten Vodiacutek může byacutet skladovaacuten v plynneacute formě kapalneacute formě a takeacute jako hydrid kovu Vodiacutek je velmi lehkyacute plyn s malou hustotou To znamenaacute že maleacute množstviacute vodiacuteku zabiacuteraacute velkyacute objem Ciacutelem tedy je zvyacutešit objemovou hustotu vodiacuteku Klasickeacute oceloveacute vysokotlakeacute oceloveacute naacutedoby jsou plněny až na tlak 200 barů Naacutedoby vyrobeneacute ze zesiacutelenyacutech uhliacutekovyacutech vlaacuteken mohou teoreticky uklaacutedat vodiacutek při tlaku až 600 barů prakticky byl dosažen tlak asi 450 barů Ciacutelem automobiloveacuteho průmyslu je však hodnota 700 barů pro skladovaacuteniacute plynneacuteho vodiacuteku při běžneacutem použiacutevaacuteniacute v automobilech To však požaduje vyacutevoj novyacutech kompozitniacutech materiaacutelů ktereacute odolajiacute vysokeacutemu tlaku a nestanou se při styku s vodiacutekem křehkyacutemi S vyššiacutem tlakem roste hustota ale samotnaacute komprese je velmi komplikovanyacute nebezpečnyacute a drahyacute proces Zvyacutešeniacute hustoty vodiacuteku lze takeacute dosaacutehnout zkapalněniacutem nebo převedeniacutem do pevneacuteho stavu Hustota tekuteacuteho vodiacuteku je cca 708 kgm3 v porovnaacuteniacute s hustotou vodiacuteku v pevneacutem stavu a to 706 kgm3 Kondenzačniacute teplota vodiacuteku je při tlaku 1 bar -252degC z toho vyplyacutevaacute že proces zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je velmi energeticky naacuteročnyacute Tekutyacute vodiacutek se tak použiacutevaacute pokud je nezbytneacute zajistit vysokou hustotu napřiacuteklad pro kosmickeacute aplikace[10] Vodiacutek je takeacute schopen vytvaacuteřet hydridy s některyacutemi kovy Vodiacutek v molekulaacuterniacute podobě je absorbovaacuten do atomoveacute mřiacutežky kovů Objemovaacute hustota takoveacuteho vodiacuteku je pak na uacuterovni vodiacuteku kapalneacuteho ale pokud vezmeme v potaz i samotnou hmotnost kovů pak je hustota mnohem nižšiacute V současneacute době je nejvyššiacute dosažitelnaacute hustota jen přibližně 007 kg H2kg kovu při vysokeacute teplotě Vodiacutek v pevneacutem stavu je nejbezpečnějšiacute cesta jak uskladnit energii zvlaacuteště pro stacionaacuterniacute a mobilniacute aplikace Hlavniacutem probleacutemem pro uskladněniacute vodiacuteku v pevneacutem stavu je samotnaacute vaacuteha naacutedržiacute vysokaacute desorpčniacute energie niacutezkaacute kinetika desorpce dlouhaacute doba nabiacutejeniacute vysokyacute tlak a přenos tepla Vodiacutek může byacutet skladovaacuten jako plyn při vysokyacutech tlaciacutech jako kapalina v kryogenniacutech zaacutesobniacuteciacutech jako plyn chemicky vaacutezanyacute (např v hydridech kovů) Na obraacutezku 14 je uveden objem vodiacuteku a hmotnost celeacuteho zařiacutezeniacute vztaženaacute k zmiacuteněnyacutem způsobům skladovaacuteniacute a daacutele v porovnaacuteniacute s benziacutenem metanolem a uchovaacutevaacuteniacutem energie v bateriiacutech (vztaženeacute na energetickyacute ekvivalent 990 000 Btu (1 044 500 kJ))

35

Obr 14 Objemoveacute a hmotnostniacute porovnaacuteniacute paliv odpoviacutedajiacuteciacutech energetickeacutemu ekvivalentu 990000 Btu [12]

Nejlepšiacute cestou skladovaacuteniacute vodiacuteku je jeho uloženiacute ve formě uhlovodiacutekovyacutech paliv ačkoliv tato varianta vyžaduje dodatečnyacute systeacutem jeho extrahovaacuteniacute Niacutezkaacute hustota vodiacuteku ve formě plynneacute i kapalneacute maacute za naacutesledek takeacute niacutezkou hodnotu hustoty energie Danyacute objem vodiacuteku tedy obsahuje meacuteně energie než stejnyacute objem jinyacutech paliv Proto se napřiacuteklad zvyšuje relativniacute skladovaciacute objem naacutedrže pro dosaženiacute daneacute dopravniacute vzdaacutelenosti Použitiacutem vodiacuteku v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků vyrovnaacutevaacuteme podmiacutenky s ostatniacutemi palivy tiacutem že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vyššiacute oproti uacutečinnosti spalovaciacutech motorů takže bude zapotřebiacute meacuteně paliva a tiacutem i energie k dosaženiacute stejneacuteho energetickeacuteho vyacutesledku [12] Přes niacutezkou objemovou energetickou hustotu disponuje vodiacutek nejvyššiacutem poměrem energie k hmotnosti ze všech paliv Avšak tuto vyacutehodu obvykle zastiňuje velkaacute hmotnost zaacutesobniacuteku a naacutevaznyacutech zařiacutezeniacute Většina zaacutesobniacuteků vodiacuteku je značně rozměrnyacutech a těžkyacutech mnohem viacutec než použiacutevaneacute naacutedrže pro benziacuten

36

či naftu [12] Existujiacute i dalšiacute noveacute metody uskladněniacute vodiacuteku jako aktivovanyacute povrch uhliacuteku pomociacute skleněnyacutech mikrokuliček a komplexů polyhydridů Tyto technologie zvyšujiacute objemovou hustotu skladovaacuteniacute vodiacuteku jsou ovšem staacutele vyviacutejeny a v průmyslu zatiacutem nebyly implementovaacuteny [11]

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu

Měrnaacute akumulačniacute kapacita vodiacuteku v plynneacutem stavu zaacutevisiacute na skladovaciacutem tlaku Při skladovaacuteniacute za normaacutelniacutech podmiacutenek je i přes vysokeacute spalneacute teplo vodiacuteku akumulačniacute kapacita relativně niacutezkaacute a to asi 128 MJm3 Pokud se tlak zvyacutešiacute na 10 MPa akumulačniacute kapacita pak bude 1200 MJm3 [10] Stlačenyacute vodiacutek se uskladňuje v tlakovyacutech lahviacutech podobnyacutech těm ktereacute jsou použiacutevaacuteny pro stlačenyacute zemniacute plyn Většina tlakovyacutech zaacutesobniacuteků maacute vaacutelcovyacute tvar s půlkulovyacutemi vypuklyacutemi dny V současneacute době je snaha budovat zaacutesobniacuteky uspořaacutedaneacute za sebou a deformovat vaacutelcovyacute tvar pro zvětšeniacute užitečneacuteho objemu Otvory ve středu půlkulovyacutech den pak umožňujiacute průtok plynu do tlakoveacute naacutedoby a jsou osazeny regulaacutetory a zaacutekladniacutemi prvky řiacutezeniacute průtoku Jeden osazenyacute koncovyacute prvek působiacute primaacuterně jako uzaviacuteraciacute ventil ačkoli obsahuje i pojistnyacute ventil a může daacutele obsahovat i sniacutemače teploty a tlaku pro měřeniacute veličin stavu plynu v zaacutesobniacuteku Druheacute osazeniacute je pak již složityacutem zařiacutezeniacutem ktereacute se sklaacutedaacute ze solenoidoveacuteho nebo elektromagnetickeacuteho ventilu manuaacutelniacuteho uzaviacuteraciacuteho ventilu jednosměrneacuteho ventilu a tlakoveacuteho pojistneacuteho ventilu [12] Elektromagnetickyacute ventil uzaviacuteraacute zaacutesobniacutek a izoluje naacutedobu v přiacutepadě že zařiacutezeniacute je mimo provoz Odstavovaciacute ventil uzavře průtok plynu ze zaacutesobniacuteku jestliže je průtok přiacuteliš velkyacute (např praskne-li trubka) Manuaacutelniacute uzaviacuteraciacute ventil umožňuje aby obsah zaacutesobniacuteku byl uzavřen nebo vypuštěn manuaacutelně v přiacutepadě poruchy elektromagnetickeacuteho ventilu Jednosměrnyacute ventil umožňuje plněniacute zatiacutemco elektromagnetickyacute ventil je uzavřen Pojistnyacute tlakovyacute ventil (na obou konciacutech vaacutelce) vypouštiacute obsah zaacutesobniacuteku v přiacutepadě kdy je vystaven působeniacute vysokyacutech vnitřniacutech tlaků či vysokyacutech okolniacutech teplot (např vystaveniacute ohni) Termiacutenem bdquovysokotlakyacute plynldquo obvykle označujeme plyn s tlaky vyššiacutemi jak 207 barg (3 000 PSIg) a to v přiacutepadě kdy hovořiacuteme o skladovaacuteniacute plynů

37

Obr 15 Konstrukce laacutehve Typu 3 [12] Tlaky vyššiacute jak 2 barg (30 PSIg) představujiacute dostatečnou hrozbu zraněniacute člověka a proto i o nich můžeme v terminologii hovořit jako o vysokyacutech Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky plynu musiacute byacutet konstruovaacuteny z tlustostěnnyacutech vysokopevnostniacutech materiaacutelů a musiacute byacutet velice trvaleacute Zaacutesobniacuteky jsou klasifikovaacuteny do čtyř typů v zaacutevislosti na použiteacutem konstrukčniacutem materiaacutelu viz tabulka 5 Obecně lze řiacuteci že čiacutem meacuteně použiteacuteho kovu tiacutem menšiacute hmotnost zaacutesobniacuteku Z tohoto důvodu je obvykle u vodiacutekovyacutech aplikaciacute použiacutevaacuten typ 3 na obraacutezku 15 V budoucnu však pravděpodobně ziacuteskaacute vyacutesadniacute postaveniacute typ 4 Specifickaacute hmotnost pak zaacutevisiacute individuaacutelně na vyacuterobě daneacuteho typu Jako referenčniacute objem bereme 35 ft3(100 l) U oceloveacuteho zaacutesobniacuteku typu 1 je hmotnost zaacutesobniacuteku přibližně 100 kg u typu 3 65 kg a v přiacutepadě typu 4 je hmotnost zaacutesobniacuteku cca 30 kg [12]

Typ lahve

Popis Hmotnostikovkompozit

Typ 1 Laacutehev kompletně z oceli a hliniacuteku 1000

Typ 2 Laacutehev s kovovyacutem pruhem z oceli čiacute hliniacuteku a s obručemi z kompozitniacuteho materiaacutelu

5545

Typ 3 Laacutehev zcela zabalenaacute do kompozitniacuteho materiaacutelu s tenkyacutemi vrstvami z oceli či hliniacuteku

2080

Typ 4 Laacutehev zcela zabalenaacute v kompozitniacutem materiaacutelu s plastickyacutemi vrstvami

0100

Tab 5 Klasifikace vysokotlakyacutech lahviacute na vodiacutek

38

Typ 3 ziacuteskaacutevaacute nejviacutece pevnosti z kompozitniacuteho obalu kteryacute je navinut kolem vnitřniacute vložky Kompozit se sklaacutedaacute z vysokopevnostniacutech vlaacuteken (obvykle uhliacutekatyacutech) jež jsou stmelena pryskyřiciacute (např epoxid) viz obraacutezek 15 Kombinace vlaacuteken a pryskyřice použiacutevaneacute pro tyto kompozitniacute zaacutesobniacuteky zaručujiacute extreacutemně vysokou odolnost Povrch kompozitu je meacuteně odolnyacute než povrch kovu a je viacutece naacutechylnyacute k fyzikaacutelniacutemu poškozeniacute (střih abraze naacuteraz atd) či chemickeacutemu poškozeniacute (čpavek kyseliny atd) avšak meacuteně naacutechylnyacute ke korozi Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky obvykle skladujiacute vodiacutek při 250 bar i když se zkoušejiacute zaacutesobniacuteky na provozniacute tlak 350 bar Současnyacute stav technologie jež je čaacutestečně ve stadiu vyacutevoje si dovoluje překračovat v testu roztrženiacute zaacutesobniacuteku hodnoty tlaku 1620 bar u zaacutesobniacuteku Typu 4 pak 700 bar Jakeacutekoliv plyny ktereacute se skladujiacute při těchto vysokyacutech tlaciacutech jsou extreacutemně nebezpečneacute a jsou schopny opouštět zaacutesobniacutek proudem plynu s explozivniacutemi uacutečinky sil nebo uvaacutedět do pohybu maleacute předměty jako projektily Neukotvenyacute zaacutesobniacutek se může změnit v raketu v přiacutepadě kdy plyn naacutehle začne proudit malyacutem otvorem Navzdory potenciaacutelniacutemu nebezpečiacute majiacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky velmi dobryacute stupeň bezpečnosti Provedeniacute zaacutesobniacuteku musiacute odpoviacutedat přiacutesnyacutem standardům a musiacute vydržet různeacute certifikačniacute testy Pro zajiacutemavost nesmiacute selhat během 13000 tlakovyacutech cyklech při 100 servisniacutem tlaku plus 5000 cyklů při 125 servisniacutem tlaku ani při 30 cyklech při 166 servisniacuteho tlaku Daacutele prochaacuteziacute testem na roztrženiacute zaacutesobniacuteku při 225 až 3 naacutesobku servisniacuteho tlaku Tlakovaacute laacutehev musiacute daacutele vydržet paacuted z vyacutešky naacuterazy naacuterazy kyvadlem a musiacute byacutet dokonce odolnaacute při vystaveniacute střelbě [12] Během vyacuteroby je každyacute zaacutesobniacutek vystaven hydrostatickyacutem tlakovyacutem testům a testům na těsnost vybraneacute zaacutesobniacuteky zadaneacute seacuterie jsou zkoušeny cyklickyacutemi a pevnostniacutemi testy uvedenyacutemi vyacutešeZaacutesobniacuteky jsou během vyacuteroby označeny je to jeden z nutnyacutech standardů vyacuteroby seacuteriovyacutem čiacuteslem servisniacutem a provozniacutem jmenovityacutem tlakem a datem zhotoveniacute U zaacutesobniacuteků jež nejsou vystavovaacuteny těžkyacutem externiacutem podmiacutenkaacutem a tlak plynu se pohybuje na jmenoviteacute hodnotě se očekaacutevaacute doba životnosti do 15 let nebo do 11 250 naplněniacute Inspekčniacute testy a testy těsnosti jsou rutinniacute součaacutesti uacutedržby Typickeacute mobilniacute aplikace použiacutevajiacute seacuterii zaacutesobniacuteků upevněnyacutech na společneacute rozvodneacute potrubiacute Při nominaacutelniacutem tlaku 250 bar systeacutem zaacutesobniacuteků vaacutežiacute asi čtyřikraacutet viacutece než srovnatelnyacute systeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute formě a zaujiacutemaacute viacutece než čtyřnaacutesobek prostoru V porovnaacuteniacute s benziacutenem je skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacute formě patnaacutectkraacutet naacuteročnějšiacute prostorově a třiadvacetkraacutet hmotnostně Řešeniacute probleacutemu pak vyžaduje napřiacuteklad pokrytiacute 50 střechy autobusu zaacutesobniacuteky vodiacuteku aby byly nahrazeny staacutevajiacuteciacute naacutedrže nafty Navzdory tomuto objemu je celkovaacute hmotnost vodiacuteku jen 40 až 50 kg a je zanedbatelnaacute v porovnaacuteniacute s hmotnostiacute zaacutesobniacuteků a externiacuteho vybaveniacute Skladovaacuteniacute plynu při ještě většiacutem tlaku daacutevaacute menšiacute skladovaciacute objem ale celkovaacute hmotnost zaacutesobniacuteku se přiacuteliš neměniacute jelikož zaacutesobniacuteky musiacute byacutet robustnějšiacute Současnyacute stav (2012) pro tento typ skladovaacuteniacute je 350 bar a hmotnostniacutem poměru 113 u zaacutesobniacuteku typu 4 Komprese plynu je energeticky naacuteročnyacute proces Čiacutem vyššiacute koncovyacute tlak tiacutem většiacute množstviacute energie je potřeba Avšak přiacuterůstek energie potřebneacute k dosaženiacute vyššiacuteho tlaku klesaacute takže počaacutetečniacute uacutesek zůstaacutevaacute energeticky intenzivnějšiacute čaacutestiacute procesu komprimaceVyvaacuteženiacute přiacuterůstku (snižovaacuteniacute) hustoty plynu při vyššiacutech tlaciacutech se staacutevaacute důležitou ekonomickou otaacutezkou v hospodařeniacute s energiiacute při vyššiacutech uacuterovniacutech komprese Užitečnou cestou k pochopeniacute energetickyacutech naacutekladů

39

na komprimaci je způsob jejich vyjadřovaacuteniacute procentem energie na komprimaci z celkoveacute energie obsaženeacute v zaacutesobniacuteku vodiacuteku Za teacuteto podmiacutenky je přibližnaacute spotřeba 5 z celkoveacute energie laacutetky v zaacutesobniacuteku při komprimaci na 350 bar Přesneacute množstviacute energie je samozřejmě zaacutevisleacute na průtoku a uacutečinnosti použiteacuteho kompresoru Ke skladovaacuteniacute vodiacuteku v podobě stlačeneacuteho plynu se využiacutevajiacute předevšiacutem podzemniacute poreacutezniacute zaacutesobniacuteky kolektory solneacute sloje či skalniacute dutiny Anglie a Francie majiacute dlouhodobou zkušenost na poli podzemniacuteho uskladněniacute vodiacuteku Britskyacute chemickyacute koncern ICI uskladňuje vodiacutek v třikraacutet pročištěneacute solneacute sloji v Teeside Vodiacutek je v teacuteto 366 m hlubokeacute sloji natlakovaacuten na 50 barů Od 1957 do 1974 GAZ DE FRANCE uskladňoval městskyacute plyn s obsahem vodiacuteku 50 v kolektoru s objemem 330 milioacutenů m3 Maleacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky jsou bez vyacutejimky provedeny jako nadzemniacute zařiacutezeniacute pro stlačenyacute plyn V průmysloveacutem sektoru se již vyskytla standardizace typů Vyacutesledkem jsou vaacutelcoviteacute zaacutesobniacuteky s maximaacutelniacutem provozniacutem tlakem 5 MPa a 28 m v průměrech ktereacute jsou k dostaacuteniacute s naacutesledujiacuteciacutemi deacutelkami (či vyacuteškami) 73 m (max obsah při 45 MPa je 1 305 Nm3) 108 m (max obsah 2 205 Nm3) a 19 m (max obsah 4 500 Nm3) V tomto přiacutepadě vyacutepočty pro energetickyacute obsah v hmotnostniacute či objemoveacute jednotce včetně samotneacuteho zaacutesobniacuteku vedou na hodnoty 024 ndash 031 kWhkg respektive 0135 kWhl [12] Podzemniacute zaacutesobniacuteky obdobneacute podzemniacutem zaacutesobniacuteků zemniacuteho plynu (v podzemniacutech kavernaacutech ve vodonosnyacutech vrstvaacutech ve vytěženyacutech ložisciacutech ropy apod) Skladovaacuteniacute vodiacuteku v těchto zaacutesobniacuteciacutech bude ovšem asi 3 x dražšiacute než skladovaacuteniacute zemniacuteho plynu převaacutežně kvůli menšiacute objemoveacute kapacitě vodiacuteku Nevyacutehoda takoveacuteho skladovaacuteniacute jsou ztraacutety ktereacute mohou dosaacutehnout až 3 procent ročně Tento typ uacuteložišť se již využiacutevaacute V Kielu se již od roku 1971 skladuje městskyacute plyn kteryacute obsahuje až 65 vodiacuteku v podzemniacutem zaacutesobniacuteku v hloubce 1330 m o objemu 32 000 m3 a tlaku 8 - 16 MPa [10] Nadzemniacute zaacutesobniacutekoveacute systeacutemy se běžně použiacutevajiacute v průmyslu zemniacuteho plynu v různyacutech rozměrovyacutech a tlakovyacutech uacuterovniacutech Běžneacute tlakoveacute lahve o objemu 50 litrů a tlaku 20 Mpa stacionaacuterniacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky s tlakem 20 MPa i většiacutem velkeacute kuloveacute zaacutesobniacuteky o objemu až 30 000 m3 a tlaku 12 - 16 Mpa Naacuteklady jsou u teacuteto metody dosti vysokeacute (komprese vysokotlakeacute naacutedoby) V přiacutepadě použitiacute v automobilu se tato metoda vykazuje rychlou dobou plněniacute a velkyacutem množstviacutem uskladněneacuteho vodiacuteku (na uacutekor bezpečnosti) Na plnou naacutedobu vodiacuteku vaacutežiacuteciacute okolo 40 kg s 39 kg vodiacuteku je auto schopno ujet až 600 km

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu

Systeacutemy skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute faacutezi překonaacutevajiacute mnoho probleacutemů spojenyacutech s objemem a hmotnostiacute při vysokotlakeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku avšak za cenu potřeby zajištěniacute kryogenniacutech teplot Kapalnyacute vodiacutek může byacutet skladovaacuten pod svyacutem bodem varu ktereacuteho za normaacutelniacutech podmiacutenek dosaacutehne při -252882 degC (20268 K) nebo takeacute bliacuteže podmiacutenek okolniacuteho tlaku v dvoustěnnyacutech super izolovanyacutech naacutedržiacutech neboli bdquodewarechldquo (Dewarovyacutech naacutedobaacutech) Tyto izolace jsou izolacemi vakuovyacutemi [12] Zaacutesobniacuteky tekuteacuteho vodiacuteku nepotřebujiacute vysokotlakeacute naacutedoby a proto nemusiacute byacutet tak robustniacute Vodiacutek nemůže byacutet skladovaacuten v zaacutesobniacuteciacutech neomezeně Všechny zaacutesobniacuteky bez ohledu na kvalitu izolace umožňujiacute transfer tepla mezi zaacutesobniacutekem a okoliacutem Velikost teplotniacute netěsnosti zaacutevisiacute na konstrukci a velikosti zaacutesobniacuteku

40

Tyto přiacutečiny přenosu tepla vedou k odpařovaacuteniacute vodiacuteku a zvyšovaacuteniacute tlaku Stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky kapalneacuteho vodiacuteku jsou stavěny nejčastěji ve formě kuloviteacute jelikož koule nabiacuteziacute nejmenšiacute povrch k daneacutemu objemu a proto nejmenšiacute plochu přestupu tepla [12] Zaacutesobniacuteky majiacute maximaacutelniacute konstrukčniacute přetlak kolem 5 bar v přiacutepadě že odběr vodiacuteku je menšiacute než jeho produkce a vypařovaacuteniacutem roste tlak v zaacutesobniacuteku až do hodnoty kdy je odveden pojistnyacutem ventilem Odplyněniacute sniacuteženiacute přetlaku tiacutemto způsobem neniacute jenom přiacutemou ztraacutetou využitelneacuteho paliva ale v přiacutepadě mobilniacutech jednotek i potenciaacutelniacute nebezpečiacute a to předevšiacutem v budovaacutech a garaacutežiacutech Současneacute automobiloveacute aplikace zaacutesobniacuteku kapalneacuteho vodiacuteku odvaacutedějiacute 1 až 2 za den Vodiacutek může byacutet čerpaacuten ze zaacutesobniacuteku buď jako kapalina nebo jako plyn V přiacutepadě že je použiacutevaacuten v jednotkaacutech s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem může byacutet kapalnyacute vodiacutek vstřikovaacuten přiacutemo do vaacutelce v zaacutevislosti na zvyšujiacuteciacutemsnižujiacuteciacutem se množstviacute spalovaneacuteho paliva a pracovniacutem zdvihu V přiacutepadě použitiacute v palivoveacutem člaacutenku plynnyacute vodiacutek může byacutet odčerpaacutevaacuten při odpoviacutedajiacuteciacutem tlaku pro zaacutesobovaacuteniacute daneacute reakce [12] Ačkoli skladovaacuteniacute kapalneacuteho vodiacuteku eliminuje nebezpečiacute spojenaacute s vysokotlakyacutem skladovaacuteniacutem plynů přinaacutešiacute daacutele nově vlastniacute nebezpečiacute spojenaacute s niacutezkyacutemi teplotami Vaacutežnaacute nebezpečiacute omrzlin existujiacute ve spojeniacute s kapalnyacutem vodiacutekem jeho paacuterami a kontaktniacutemi plochami Uhliacutekataacute ocel vystavenaacute teplotaacutem nižšiacutem -30 degC a to přiacutemo nebo nepřiacutemo se staacutevaacute křehkou a je naacutechylnaacute k lomu Vzduch může kondenzovat na povrchovyacutech plochaacutech ktereacute jsou podchlazeneacute může odkapaacutevat daacutele i na materiaacutely nebezpečneacute z pohledu vzniacuteceniacute požaacuteru nebo vyacutebuchu nebezpečiacute totiž spočiacutevaacute v naacutesledneacutem zvyacutešeniacute koncentrace [12] Zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je vzhledem k dosaacutehnutiacute extreacutemně niacutezkyacutech teplot energeticky velmi naacuteročnyacute intenzivniacute proces Zkapalňovaacuteniacute zahrnuje několik kroků Prvniacutem je komprese vodiacuteku v piacutestoveacutem kompresoru přechlazeniacute stlačeneacuteho plynu na teplotu zkapalněniacute dusiacuteku (-195 degC) naacutesleduje expanze přes turbiacutenu a posledniacutem krokem je katalytickaacute konverze na stabilniacute formu vodiacuteku Ve vyacutesledku je energie potřebnaacute k procesu zkapalněniacute ekvivalentem kteryacute překračuje 40 energetickeacute vztažneacute hodnoty vodiacuteku Kapalnou formu vodiacuteku lze relativně uacutečinně transportovat a lehce použiacutevat Je zřejmeacute že během zkapalňovaacuteniacute se vklaacutedajiacute do energie maximaacutelniacute investice a proto se jeviacute proziacuteraveacute skladovat a použiacutevat vodiacutek přiacutemo jako kapalinu kdykoli je to možneacute V zaacutevislosti na množstviacute zkapalňovaneacuteho vodiacuteku jsou použiacutevaacuteny různeacute zkapalňovaciacute metody Velkaacute zařiacutezeniacute obvykle využiacutevajiacute kombinace naacutesledujiacuteciacutech metod - turbiacutenovaacute Joule-Thomsonova či magnetokalorickaacute metoda Ve všech přiacutepadech je zkapalněniacute dosaženo kompresiacute naacutesledovaneacute určityacutem způsobem expanze buď nevratneacute využitiacutem škrtiacuteciacuteho ventilu či čaacutestečně vratneacute využitiacutem expanzniacuteho stroje Obvykle je použito 6 stupňů tepelneacuteho vyacuteměniacuteku přičemž prvniacute je chlazen tekutyacutem dusiacutekem V předposledniacutem kroku obstaraacutevaacute expanzi Joule-Thomsonův ventil Využitiacute magnetokalorickyacutech metod umožňuje přeměnu ortho-vodiacuteku na para-vodiacutek Po několika krociacutech je dosažen obsah para-vodiacuteku okolo 95 Para-vodiacutek maacute menšiacute energetickyacute obsah než ortho-vodiacutek[12] Způsob uskladněniacute kapalneacuteho vodiacuteku je obvykle proveden pomociacute uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků majiacuteciacutech perlitoveacute podtlakoveacute izolace V USA je mnoho obdobnyacutech zaacutesobniacuteků Největšiacute z nich patřiacute NASA a je situovaacuten na mysu Canaveral Tento zaacutesobniacutek maacute objem přibližně 3 800 m3 (přibližně 270 t LH2) Běžneacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky majiacute objemy od 1 500 l (přibližně 1 100 Nm3) až do 75 000 l

41

(přibližně 60 000 Nm3) V souvislosti s aktivitami tyacutekajiacuteciacutemi se dopravniacutech prostředků na vodiacutek byla v Německu vyvinuta malaacute přenosnaacute uskladňovaciacute zařiacutezeniacute Zaacutesobniacuteky pro automobily (umiacutestěneacute v testovanyacutech dopravniacutech prostředciacutech BMW) a autobusy (umiacutestěneacute v MAN-Bus SL202) jsou v současnosti vyraacuteběneacute pouze v maleacutem počtu Zaacutesobniacuteky pro autobusy se sklaacutedajiacute ze třiacute eliptickyacutech křiacutežiacuteciacutech se zaacutesobniacuteků každyacute o objemu 190 l odpoviacutedajiacuteciacute energetickeacutemu obsahu 450 kWh či 150 Nm3 plynneacuteho vodiacuteku při normaacutelniacutech podmiacutenkaacutech Dosažitelnaacute energetickaacute hustota je 45 kWhkg či 213 kWhl Zaacutesobniacuteky jsou konstruovaacuteny z 200 - 300 vrstev izolačniacutech foacuteliiacute dovolujiacuteciacutech odpařit okolo 1 zkapalněneacuteho plynu za den Nicmeacuteně toto množstviacute narůstaacute při spojeniacute několika zaacutesobniacuteků dohromady vlivem ztraacutet ve spojovaciacutem potrubiacute [12]

Obr 16 120 litrovaacute naacutedrž na tekutyacute vodiacutek firmy Linde [16]

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů

Systeacutemy skladovaacuteniacute v hydridech kovů se zaklaacutedajiacute na principu snadneacute absorpce plynu určityacutemi materiaacutely za podmiacutenek vysokeacuteho tlaku a miacuternyacutech teplot Tyto laacutetky pak uvolňujiacute vodiacutek jako plyn v přiacutepadě kdy jsou zahřiacutevaacuteny při niacutezkyacutech tlaciacutech a relativně vysokyacutech teplotaacutech V podstatě tyto materiaacutely kovy nasaacutevajiacute a uvolňujiacute vodiacutek jako bdquohoubaldquo Vyacutehoda skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů se soustřeďuje na skutečnost že vodiacutek se staacutevaacute součaacutestiacute chemickeacute struktury těchto kovů a proto daacutele neniacute požadovaacuten vysokyacute tlak nebo kryogenniacute teplota pro vlastniacute provoz [12] Vodiacutek se uvolňuje z hydridů pro použitiacute při niacutezkeacutem tlaku hydridy kovů jsou ve sveacute podstatě nejbezpečnějšiacute ze všech systeacutemů skladovaacuteniacute Existuje mnoho typů specifickyacutech hydridů kovů primaacuterně se však staviacute na kovovyacutech slitinaacutech hořčiacuteku niklu železa a titanu Hydridy kovů mohou byacutet rozděleny dle vysoko nebo niacutezkoteplotniacute desorpce vodiacuteku Vysokoteplotniacute hydridy jsou levnějšiacute a jsou schopneacute uchovaacutevat viacutece vodiacuteku než niacutezkoteplotniacute ale vyžadujiacute vyacuteznamně viacutece tepelneacute energie

42

pro uvolněniacute vodiacuteku Niacutezkoteplotniacute hydridy mohou na rozdiacutel od vysokoteplotniacutech hydridů ziacuteskat dostatek tepelneacute energie pro uvolněniacute vodiacuteku z vlastniacute jednotky ktereacute vyžadujiacute externiacute zdroj tepelneacute energie Niacutezkaacute teplota desorpce ve spojeniacute s niacutezkoteplotniacutemi hydridy může byacutet probleacutemem vzhledem k přiacuteliš snadneacutemu uvolňovaacuteniacute plynu za okolniacutech podmiacutenek K překonaacuteniacute těchto probleacutemů musiacute byacutet niacutezkoteplotniacute hydrid kovu pod tlakem čiacutemž vzrůstaacute komplikovanost procesu Typickeacute charakteristiky hydridů kovů jsou shromaacutežděny v tabulce 6

Charakteristika NiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacute VysokoteplotniacuteVysokoteplotniacuteVysokoteplotniacute

T i 2 N i -H25

F e T i -H25

VH-VH2 L a N i 5 -H67

M g C u -H3

M g 2 N i -H4

Mg-H

Množs tv iacute s l i t i ny absorbujiacuteciacute H2 []

161 187 192 155 267 371 825

Množstviacute hydridu s c h o p n eacute h o absorbovat energii jako z 1l benziacutenu [kg]

155 134 130 161 - 675 35

Množstviacute slitiny k akumulaci 25 kg vodiacuteku [kg]

217 188 182 225 - 95 50

Desorpčniacute teplota při tlaku 15 barg [degC]

-3 7 15 21 245 267 296

Doplňovaacuteniacute snadneacute - - těžkeacute - těžkeacute těžkeacute

Tab 6 Charakteristika použiacutevanyacutech hydridů kovu [12]

Hlavniacute nevyacutehodou skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů neniacute jen teplota a tlak nutnyacute pro extrakci vodiacuteku ale i jejich niacutezkaacute hustota energie Dokonce i ty nejlepšiacute hydridy obsahujiacute jen 8 hmotnostniacutech procent vodiacuteku Majiacute proto velkou hmotnost a naviacutec jsou draheacute Systeacutem s hydridem kovu může byacutet až třicetkraacutet těžšiacute a desetkraacutet objemnějšiacute než naacutedrž s benziacutenem stejneacuteho energetickeacuteho obsahu Dalšiacute nevyacutehodou systeacutemů na baacutezi hydridu kovu je nutnost použiacutevat jen velmi čistyacute vodiacutek jinak dojde ke kontaminaci hydridu s naacuteslednou ztraacutetou kapacity Kysliacutek a voda jsou prvotniacutemi činiteli jelikož se chemicky adsorbujiacute na povrch kovů a nahrazujiacute potenciaacutel vodiacutekovyacutech vazeb Sniacuteženiacute kapacity kontaminaciacute může byacutet do určiteacute miacutery reaktivovaacuteno teplem Dalšiacute probleacutemy spojeneacute s hydridy kovů souvisiacute s jejich strukturou Typickeacute provedeniacute se naleacutezaacute ve formě zrniteacute granulovaneacute nebo praacuteškoveacute struktury kteraacute tak poskytuje co největšiacute plochu pro kontakt s plynem Tyto čaacutestice jsou naacutechylneacute na abrazi jež u obojiacuteho vede k redukci jejich efektivity a může veacutest k ucpaacuteniacute profilu přepouštěciacutech ventilů nebo trubek Žaacutednyacute specifickyacute materiaacutel nemaacute vynikajiacuteciacute vlastnosti ve všech požadovanyacutech směrech (vysokaacute kapacita absorpce vysokaacute hustota energie malaacute potřeba tepla a niacutezkeacute naacuteklady) Z tohoto důvodu se použiacutevaacute směs různyacutech vysoko a niacutezkoteplotniacutech hydridů kdy se vyrovnaacutevajiacute vyacutehody a nevyacutehody různyacutech typů při různyacutech podmiacutenkaacutech provozu [12]

43

Obr 17 Vlastnosti vybranyacutech hydridů [8]

331 Hydridy alkalickyacutech zemin

Noveacute variace hydridů ktereacute nabiacutezejiacute vyacutehodnějšiacute vlastnosti oproti předchoziacutem metodaacutem se tyacutekajiacute peletizovanyacutech sodiacutekovyacutech drasliacutekovyacutech a lithnyacutech složek Tyto složky hydridů reagujiacute s vodou za vyacutevinu vodiacuteku bez nutnosti dodaacutevaacuteniacute tepelneacute energie Nejpokročilejšiacute komerčně vyviacutejenyacute systeacutem vyžaduje použitiacute hydroxidu sodneacuteho jenž je hojně k dispozici jakožto odpadniacute materiaacutel z průmysloveacute vyacuteroby papiacuteru plastu z ropneacuteho průmyslu a jinyacutech Hydroxid sodnyacute je převeden na hydrid sodnyacute(NaH) za přiacutevodu tepla naacutesledovně

2NaOH + tepenerrarr 2NaH +O2

NaH potom může byacutet peletizovaacuten tyto pelety se pokryacutevajiacute vodě-odolnyacutem plastem nebo povlakem Sodiacutek se tak staacutevaacute neaktivniacutem a lze ho potom jednoduše transportovat Pro uvolněniacute vodiacuteku je ochrannyacute povlak rozrušovaacuten a naacutesleduje reakce s vodou

NaH (s)+ H2O(l)rarr NaOH (l)+ H2 (g) Tato reakce probiacutehaacute poměrně rapidně a vodiacutek z teacuteto reakce maacute tlak kolem 8-10 bar Hydroxid sodnyacute lze ziacuteskat zpět a může byacutet opětovně použiacutevaacuten v procesu Vyacutehoda tohoto uchovaacutevaacuteniacute vodiacuteku oproti ostatniacutem hydridům je absence potřeby tepla pro uvolněniacute vodiacuteku Tento proces je relativně jednoduchyacute a z toho plyne i jednoduššiacute konstrukce takoveacuteho procesniacuteho zařiacutezeniacute Nevyacutehodou tohoto procesu jsou komplikace spojeneacute s mechanickyacutem rozrušovaacuteniacutem pelet kontrolovanyacutem způsobem a naacutesledneacute využitiacute odpadniacutech materiaacutelů kteryacute obklopuje odpadniacute hydroxid sodnyacute a použiteacute plastoveacute obaly pelet Proces využiacutevajiacuteciacute kombinaci generovaacuteniacute vodiacuteku a skladovaacuteniacute pro jednoraacutezoveacute použitiacute Stejně jako u elektrolyacutezy je vodiacutek

44

v hydridu sodneacutem nositel energie ne však jejiacute zdroj Hydroxid sodnyacute se nachaacuteziacute v niacutezkeacutem energetickeacutem stavu a musiacute byacutet přenesen do vyššiacuteho stavu pomociacute dodaacuteniacute tepelneacute energie

34 Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku

V současnosti se se zkoumajiacute dalšiacute skladovaciacute metody vodiacuteku jako je adsorpce na uhliacutekovyacutech poreacutezniacutech strukturaacutech skleněneacute mikrosfeacuterya oxidačniacute technologie železa Tyto metody jsou použiacutevaacuteny pouze laboratorněa jejich nasazeniacute do komerčniacute sfeacutery ještě nelze v bliacutezkeacute budoucnosti očekaacutevat

341 Uhliacutekovaacute adsorpce

Uhliacutekovaacute adsorpce je založena na slučitelnosti uhliacuteku a vodiacutekovyacutech atomů Vodiacutek je čerpaacuten do kontejnerů se substraacutetem malyacutech karbonovyacutech čaacutestic kde je vaacutezaacuten molekulaacuterniacutemi silami Tato metoda silně připomiacutenaacute metodu skladovaacuteniacute v hydridech kovů je ovšem zdokonalena v oblasti niacutezkyacutech teplot kde se uvažuje rozdiacutel mezi tekutyacutem vodiacutekem a chemickou vazbou Uhliacutek adsorbuje při teplotaacutech -185 až -85 degC a tlaciacutech 21 až 48 bar Velikost adsorpce uhliacutekem se zvyšuje s nižšiacutemi teplotami Teplo při překročeniacute teplotniacute hranice 150degC uvolňuje vodiacutek

342 Technologie uhliacutekovyacutech nanovlaacuteken

Laboratorniacute vyacutesledky ukazujiacute tuto metodu jako velmi nadějnou pro budouciacute použitiacute Vodiacutek uskladněnyacute ve sloučenině může dosaacutehnout až 70 celkoveacute vaacutehy sloučeniny Typickeacute hydridy kovů jsou schopny přijmout 2-4 vaacutehy sloučeninyv hmotnostně těžkeacute struktuře Pokud by tyto vyacutesledky byly reaacutelně prokaacutezaacuteny potom vozidla použiacutevajiacuteciacute vodiacutekoveacute palivoveacute člaacutenky budou schopny ujet až 5000 km bez potřeby doplněniacute paliva Tiacutem by se vyřešil probleacutem chybějiacuteciacute infrastruktury distribuce vodiacuteku Takoveacute palivo by se mohlo skladovat ve skladištiacutech nebo posiacutelat prostřednictviacutem přepravniacutech služeb

343 Skleněneacute mikrosfeacutery Systeacutemy skleněnyacutech mikrosfeacuter použiacutevajiacute maleacute skleněneacute sfeacutery (kuličky)s průměrem menšiacutem než 100 microm jež jsou schopny odolat tlakům až 1 000 MPa Vodiacutek je do nich nuceně vhaacuteněn velmi vysokyacutemi tlaky Jakmile je vodiacutek uskladněn kuličky je možno ponechat v podmiacutenkaacutech okolniacuteho prostřediacute bez ztraacutet vodiacuteku Přivedeniacute nevelkeacuteho množstviacute tepelneacute energie se uvolňuje vodiacutek zpět Pro zajištěniacute zvyacutešeniacute rychlosti uvolňovaacuteniacute vodiacuteku ze skleněnyacutech mikrosfeacuter se provaacutediacute experimenty i formou drceniacute kuliček [12]

344 Oxidace železa

Oxidace železa je proces při ktereacutem se vodiacutek vytvaacuteřiacute reakciacute poacuteroviteacuteho železa (surovaacute ingredience pro ocelaacuteřskeacute pece) s vodniacute paacuterou Reakce potom lze popsat naacutesledujiacuteciacutem rovnicemi

Fe+ H2Oharr FeO + H2

45

3FeO + H2Oharr Fe3O4 + H2

Vedlejšiacutem produktem tohoto procesu je rez Jakmile železo plně zkoroduje je potřeba ho vyměnit za noveacute Produkty reakce jsou přeměněny na původniacute formu Paacuteru a tepelnou energii potřebnou pro průběh reakce lze ziacuteskaacutevat pomociacute spalovaciacute jednotky nebo v přiacutepadě palivovyacutech člaacutenků z jejich chladiacuteciacuteho okruhu (meacutedia) Ačkoliv je ocel levnaacute jejiacute hmotnost činiacute tuto metodu nevyacutehodnou Efektivniacute hmotnost paliva vůči celkoveacute hmotnosti systeacutemu uskladněniacute je 45 Vlastniacute reakce probiacutehaacute při teplotě 80 - 200 degC

46

4Palivoveacute člaacutenky

Za objevitele principu palivoveacuteho člaacutenku je považovaacuten Sir William Grove přičemž datum objevu se datuje do roku 1839 Během konce 19 a počaacutetku 20 stoletiacute se vědci pokoušeli objevit noveacute typy palivovyacutech člaacutenků kombinujiacutece přitom různaacute paliva a elektrolyty Avšak většinou bezvyacutesledně Rozvoj v teacuteto oblasti nastal až kolem poloviny 20 stoletiacute v důsledku snah najiacutet alternativniacute zdroje pro vesmiacuterneacute lety Gemini a Apollo Ale i tyto pokusy byly zpočaacutetku neuacutespěšneacute Až roku 1959 předvedl Francis T Bacon prvniacute plně fungujiacuteciacute palivovyacute člaacutenek Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (PEM FC ndash Proton Exchange Membrane Fuel Cells) byly poprveacute použity společnostiacute NASA v roce 1960 jako součaacutest vesmiacuterneacuteho programu Gemini Tyto palivoveacute člaacutenky využiacutevaly jako reakčniacute plyny čistyacute kysliacutek a čistyacute vodiacutek Byly maleacute a draheacute (a tedy komerčně neefektivniacute) Zaacutejem NASA stejně jako energetickaacute krize v roce 1973 zvyacutešili zaacutejem o alternativniacute druhy ziacuteskaacutevaacuteniacute energie a tiacutem došlo k překotneacutemu vyacutevoji v oblasti palivovyacutech člaacutenků Předevšiacutem diacuteky tomuto tlaku našly tyto člaacutenky uacutespěšneacute uplatněniacute v různorodyacutech aplikaciacutech

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků Palivoveacute člaacutenky zpracovaacutevajiacute pouze čistyacute vodiacutek Teoreticky pracujiacute bez škodlivyacutech laacutetek Produktem reakce jsou kromě elektrickeacute energie takeacute vodaa teplo V přiacutepadě že palivoveacute člaacutenky využiacutevajiacute plynnou reformačniacute směs bohatou na vodiacutek vznikajiacute škodliveacute zplodiny avšak těchto zplodin je meacuteně než těch ktereacute vznikajiacute v přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem využiacutevajiacuteciacutech jako zdroj energie konvenčniacute fosilniacute paliva Motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem ktereacute spalujiacute směsi chudeacute na vodiacutek a vzduch jsou rovněž schopneacute dosaacutehnout niacutezkeacute hladiny škodlivin avšak u těchto strojů dochaacuteziacute současně ke spalovaacuteniacute mazaciacuteho oleje což maacute za naacutesledek naacuterůst škodlivyacutech emisiacute Palivoveacute člaacutenky pracujiacute s vyššiacute termodynamickou uacutečinnostiacute než tepelneacute motory Tepelneacute motory přeměňujiacute chemickou energii na teplo prostřednictviacutem spalovaacuteniacute a využiacutevajiacute toho že teplo konaacute praacuteci Se zvyacutešeniacutem teploty horkeacuteho plynu vstupujiacuteciacuteho do motoru a se sniacuteženiacutem teploty chladneacuteho plynu po expanzi se zvyacutešiacute i termodynamickaacute uacutečinnost Teoreticky lze tedy navyacutešit horniacute teplotu libovolnyacutem množstviacutem tepla dle požadovaneacute termodynamickeacute uacutečinnosti zatiacutemco dolniacute hranice teploty nemůže nikdy klesnout pod teplotu okoliacute Avšak ve skutečnyacutech tepelnyacutech motorech je horniacute teplota limitovaacutena použityacutemi materiaacutely Kromě toho motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem majiacute vstupniacute teplotu rovnu pracovniacute teplotě kteraacute je mnohem nižšiacute než teplota vzplanutiacute Palivoveacute člaacutenky nepoužiacutevajiacute proces spalovaacuteniacute jejich uacutečinnost neniacute spjata s jejich maximaacutelniacute provozniacute teplotou Vyacutesledkem je že uacutečinnost přeměny energie může byacutet vyacuterazně většiacute než skutečnaacute reakce spalovaacuteniacute Kromě vyššiacute relativniacute tepelneacute uacutečinnosti palivoveacute člaacutenky vykazujiacute takeacute vyššiacute uacutečinnost oproti tepelnyacutem motorům při jejich čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky nevykazujiacute ostreacute propady v uacutečinnosti jak je tomu v přiacutepadě velkyacutech elektraacuteren Tepelneacute motory dosahujiacute nejvyššiacute uacutečinnosti při praacuteci v navrhovaneacutem provozniacutem stavu a vykazujiacute rapidniacute poklesy uacutečinnosti při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky majiacute vyššiacute uacutečinnost při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute než při zatiacuteženiacute plneacutem Takeacute změny uacutečinnosti jsou v celeacutem provozniacutem rozsahu menšiacute Palivoveacute člaacutenky vykazujiacute dobreacute dynamickeacute charakteristiky Stejně jako baterie jsou takeacute palivoveacute člaacutenky pevnaacute statickaacute zařiacutezeniacute kteraacute reagujiacute na změny v elektrickeacute

47

zaacutetěži okamžitě změnami chemickyacutemi Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute na čistyacute vodiacutek majiacute vynikajiacuteciacute celkovou odezvu Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute s reformaacutetem (nejčastěji palivo na baacutezi uhlovodiacuteků) a využiacutevajiacute palubniacute reformer mohou miacutet tuto odezvu pomalou zvlaacuteště při použitiacute techniky parniacuteho reformingu (metoda zpracovaacuteniacute reformaacutetu nejčastěji za vzniku vodiacuteku a oxidů uhliacuteku) V přiacutepadě použitiacute palivovyacutech člaacutenků jako generaacutetorů elektrickeacute energie vyžadujiacute tyto člaacutenky meacuteně energetickyacutech přeměn než tepelneacute motory Jestliže budou použity jako zdroje mechanickeacute energie potom požadujiacute stejneacute množstviacute přeměn ačkoliv jednotliveacute transformace se odlišujiacute od těch jež probiacutehajiacute v přiacutepadě tepelnyacutech motorů Palivoveacute člaacutenky jsou vhodneacute pro mobilniacute aplikace pracujiacuteciacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech (typickeacute jsou teploty nižšiacute než 100 degC) Provoz při nižšiacutech teplotaacutech se vyznačuje většiacute bezpečnostiacute a kraacutetkyacutem zahřiacutevaciacutem časem Naviacutec termodynamickaacute uacutečinnost elektrochemickeacute reakce je podstatně vyššiacute než uacutečinnost přeměny energie chemickyacutech vazeb na energii elektrickou pomociacute tepelnyacutech motorů Nevyacutehodou se však jeviacute obtiacutežnyacute odvod odpadniacuteho tepla kteryacute musiacute byacutet zajištěn většiacutem chladiacuteciacutem systeacutemem a i přes vysokeacute provozniacute teploty pomalyacute proces elektrochemickeacute reakce Palivoveacute člaacutenky mohou byacutet použity v kogeneračniacutech aplikaciacutech Kromě elektrickeacute energie produkujiacute palivoveacute člaacutenky takeacute čistou horkou vodu a teplo Palivoveacute člaacutenky nevyžadujiacute dobiacutejeniacute avšak musiacute mu byacutet dodaacutevaacuteno palivo což je ovšem mnohem rychlejšiacute než dobiacutejeniacute bateriiacute Mohou takeacute poskytovat většiacute rozsah (delšiacute doba poskytovaacuteniacute elektrickeacute energie) v zaacutevislosti na velikost naacutedrže s palivem a oxidantem Palivoveacute člaacutenky majiacute niacutezkeacute opotřebeniacute a vysokou životnost (někteřiacute vyacuterobci udaacutevajiacute až desetitisiacutece hodin) Nejsou přiacutetomny pohybliveacute čaacutesti z čehož vyplyacutevaacute tichyacute chod palivovyacutech člaacutenků a schopnost snaacutešet i značnaacute přetiacuteženiacute Proti klasickyacutem elektrochem akumulaacutetorům použiacutevanyacutem v současnyacutech elektromobilech majiacute palivoveacute člaacutenky vyššiacute dojezdovou vzdaacutelenost Vyřazeneacute palivoveacute člaacutenky na rozdiacutel od akumulaacutetorů nezatěžujiacute životniacute prostřediacute těžkyacutemi kovy

42 Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků

Vodiacutek kteryacute je ekologicky prospěšnyacute se velmi obtiacutežně vyraacutebiacute a uskladňuje Současneacute vyacuterobniacute procesy jsou draheacute a energeticky naacuteročneacute naviacutec často vychaacutezejiacute z fosilniacutech paliv Efektivniacute infrastruktura dodaacutevky vodiacuteku nebyla ještě ani vytvořena Systeacutemy uskladňujiacuteciacute plynnyacute vodiacutek se vyznačujiacute obrovskyacutemi rozměry a obtiacutežnyacutem přizpůsobeniacutem energeticky niacutezkeacute objemoveacute hustotě vodiacuteku Systeacutemy uskladňujiacuteciacute tekutyacute vodiacutek jsou mnohem menšiacute a lehčiacute ovšem musiacute byacutet provozovaacuteny za kryogenniacutech teplot Možnost představuje takeacute uskladněniacute vodiacuteku pomociacute uhlovodiacuteků a alkoholů odkud může byacutet uvolňovaacuten dle požadavku diacuteky palubniacutemu reformeru Je pravdou že toto uskladněniacute manipulaci s vodiacutekem zjednodušiacute avšak některeacute ekologickeacute vyacutehody budou nenaacutevratně ztraceny (praacutevě diacuteky využitiacute uhlovodiacuteků či alkoholů a s tiacutem souvisejiacuteciacute emise COx) Palivoveacute člaacutenky požadujiacute čisteacute palivo bez specifickyacutech znečišťujiacuteciacutech laacutetek Tyto laacutetky jako jsou siacutera a uhliacutekoveacute sloučeniny či zbytkovaacute tekutaacute paliva (v zaacutevislosti na typu palivoveacuteho člaacutenku) mohou poškodit katalyzaacutetor palivoveacuteho člaacutenku čiacutemž přestaacutevaacute samotnyacute člaacutenek fungovat V přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem nezpomaluje ani jedna z těchto škodlivyacutech laacutetek samotnyacute proces spalovaacuteniacute

48

Palivoveacute člaacutenky se hodiacute pro automobiloveacute aplikace Ty jsou typickeacute svyacutem požadavkem platinoveacuteho katalyzaacutetoru pro podporu reakce při ktereacute se vyraacutebiacute elektrickaacute energie Platina je vzaacutecnyacute kov a je velmi drahaacute Za diacutelčiacute nevyacutehody lze poklaacutedat i skutečnost že vyacutekon odebiacuteranyacute z 1 cm2 elektrod je zatiacutem niacutezkyacute Palivoveacute člaacutenky produkujiacute v průběhu vyacuteroby elektrickeacute energie čistou vodu Většina palivovyacutech člaacutenků vhodnyacutech pro automobiloveacute aplikace takeacute využiacutevaacute jako reaktanty vlhkeacute plyny I nepatrnaacute zbytkovaacute voda v palivoveacutem člaacutenku může přitom způsobit nevratnou zničujiacuteciacute expanzi v přiacutepadě vystaveniacute mrazu Při provozu vyraacutebějiacute palivoveacute člaacutenky dostatečneacute teplo zabraňujiacuteciacute mrznutiacute při okolniacutech teplotaacutech pod bodem mrazu V přiacutepadě že jsou za mraziveacuteho počasiacute palivoveacute člaacutenky vypnuty musiacute byacutet trvale vyhřiacutevaacuteny či z nich musiacute byacutet kompletně odstraněna zbytkovaacute voda před tiacutem než člaacutenek zmrzne Z tohoto důvodu musiacute byacutet dopravniacute prostředek převezen do zahřiacutevaciacuteho zařiacutezeniacute nebo je nezbytně nutneacute instalovat v jeho bliacutezkosti horkovzdušneacute ohřiacutevaciacute zařiacutezeniacute Palivoveacute člaacutenky vyžadujiacute kontinuaacutelniacute odstraňovaniacute zplodin chemickyacutech reakciacute jejichž množstviacute zaacutevisiacute na velikosti odebiacuteraneacuteho proudu (odčerpaacutevaacuteniacute vody vodniacute paacutery či produktů oxidace) vyžadujiacute takeacute složiteacute řiacutediacuteciacute systeacutemy a uvedeniacute do provozu může trvat několik minut

43 Princip funkce palivovyacutech člaacutenků

Palivovyacute člaacutenek je ve sveacute podstatě zařiacutezeniacute ktereacute produkuje elektřinu po celou dobu kdy je mu dodaacutevaacuteno palivo V palivoveacutem člaacutenku dochaacuteziacute ke transformaci uloženeacute chemickeacute energie paliva do elektrickeacute energie Rozdiacutel mezi spalovaciacutem motorem a palivovyacutem člaacutenkem je daacuten rozdiacutelnyacutem způsobem přeměny energie Ve spalovaciacutem motoru dochaacuteziacute ke spaacuteleniacute paliva naacutesledneacutemu uvolněniacute tepla Teplo je daacutele přeměněno na mechanickou energii a teprve mechanickaacute energie je přeměněna na energii elektrickou Každaacute přeměna v tomto cyklu maacute za naacutesledek určitou ztraacutetu energie V kontrastu s tiacutemto cyklem palivoveacute člaacutenky fungujiacute velmi jednoduše a efektivně K produkci elektřiny dochaacuteziacute pomociacute chemickeacute reakce V jednoducheacutem palivoveacutem člaacutenku probiacutehajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 rarr 2H + + 2eminus

12O2 + 2H

+ + 2eminus rarr H2O

Protony prochaacuteziacute elektrolytem a na katodě se spojiacute s kysliacutekem nejčastěji vzdušnyacutem a utvořiacute tak vodu Elektrony jsou směrovaacuteny externiacutem okruhem kde vytvaacuteřejiacute stejnosměrneacute proud Tyto zařiacutezeniacute mohou dosaacutehnout uacutečinnost až 40 Palivoveacute člaacutenky jsou schopny pracovat nejen s čistyacutem vodiacutekem ale takeacute s reformovanyacutemi palivy jako je metan jelikož v nich neniacute oxid uhličityacute Vyacutekon systeacutemu palivovyacutech člaacutenků může byacutet popsaacuten zaacutevislostiacute proudu a napětiacute Je prezentovaacuten ve formě grafu nazvanyacutem proud-napěťovaacute křivka Vyacutestupniacute napětiacute je funkciacute proudu normalizovaneacute plochou člaacutenku udaacutevajiacuteciacute proudovou hustotu Ideaacutelniacute palivovyacute člaacutenek by dodal jakeacutekoliv množstviacute proudu při udrženiacute konstantniacuteho napětiacute určeneacuteho termodynamikou procesu V opravdoveacutem světě je skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute nižšiacute než termodynamicky určeneacute napětiacute ideaacutelniacute tento rozdiacutel je způsoben nevyhnutelnyacutemi ztraacutetami v systeacutemu Ztraacutety jsou kompenzovaacuteny dodaniacutem vyššiacuteho proudu palivovyacutem člaacutenkem

49

Čiacutem většiacute množstviacute proudu je potřeba ziacuteskat z palivovyacutech člaacutenků tiacutem většiacute jsou nevratneacute ztraacutety způsobujiacuteciacute pokles vyacutestupniacuteho napětiacute Existujiacute 3 hlavniacute typy ztraacutet v palivovyacutech člaacutenciacutech

1 Aktivačniacute ztraacutety - v důsledku elektrochemickeacute reakce2 Odporoveacute ztraacutety - v důsledku iontoveacuteho a elektronoveacuteho vedeniacute3 Koncentračniacute ztraacutety - v důsledku pohybu hmoty

Vyacutestupniacute napětiacute je tedy funkciacute termodynamicky předpoklaacutedaneacuteho napětiacute a jednotlivyacutech zraacutet a může byacutet vyjaacutedřeno naacutesledovně

V = Ethermo minusηakt minusηodp minusηkonc

kde V - skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute Ethermo - termodynamicky určeneacute napětiacute ηakt - aktivačniacute ztraacutety ηodp - odporoveacute ztraacutety ηkonc - koncentračniacute ztraacutety Vyacutekon palivoveacuteho člaacutenku je pak určen podle vztahu

P = i sdotVkde P - vyacutekon [W] i - proudovaacute hustota [Acm2] V - napětiacute [V] Dalšiacute charakteristikou palivoveacuteho člaacutenku je křivka vyacutekonoveacute hustoty kteraacute ukazuje vyacutekonovou hustotu dodanou palivovyacutem člaacutenkem jako funkci proudoveacute hustoty Schematicky je tato zaacutevislost znaacutezorněna na obraacutezku 18

Obr 18 Křivka vyacutekonoveacute hustoty [8]

Vyacutekonovaacute hustota palivoveacuteho člaacutenku roste s rostouciacute proudovou hustotou dosaacutehne maxima a poteacute dochaacuteziacute k poklesu při staacutele vysokeacute proudoveacute hustotě Palivoveacute člaacutenky jsou navrhovaacuteny pro praacuteci v nebo těsně pod maximem vyacutekonoveacute hustoty Při proudoveacute hustotě pod maximem vyacutekonoveacute hustoty se zlepšuje uacutečinnost

50

napětiacute ale klesaacute vyacutekonovaacute hustota Při proudoveacute hustotě vyššiacute než je maximum vyacutekonoveacute hustotě klesaacute uacutečinnost napětiacute a vyacutekonovaacute hustota Potenciaacutel systeacutemu vykonaacutevat elektrickou praacuteci je měřen pomociacute napětiacute normaacutelniacuteho stavu vratneacuteho napětiacute je

E0 = minus Δgrxn0

n sdotFkde Δg0rxn je změna Gibssovy volneacute energie n počet molů přenesenyacutech elektronů F Faradayova konstanta Při standardniacutech podmiacutenkaacutech je maximaacutelniacute napětiacute ziacuteskaneacute pro vodiacuteko-kysliacutekoveacute palivo rovnu 123 V Pro ziacuteskaacuteniacute použitelneacuteho napětiacute jsou tak palivoveacute člaacutenky spojovaacuteny do seacuteriiacute Vratneacute napětiacute palivoveacuteho člaacutenku vysoce na provozniacutech podmiacutenkaacutech jako je teplota tlak a chemickaacute aktivita Korelace napětiacute a teploty je reprezentovaacutena naacutesledujiacuteciacute rovniciacute

dEdT

= Δsn sdotF

kde Δs je změna entropie pro palivoveacute člaacutenky je entropie negativniacute vratneacute napětiacute maacute potom tendenci klesat s rostouciacute teplotou Napětiacute se měniacute se změnou tlaku podle vztahu

dEdp

= minus Δvn sdotF

kde Δv je změna objemu Změna vratneacuteho napětiacute s tlakem je spojena se změnou objemu reakce Pokud je změna objemu reakce zaacutepornaacute potom napětiacute roste s rostouciacutem tlakem Tlak a teplota majiacute minimaacutelniacute vliv na vratneacute napětiacute Chemickaacute aktivita maacute vyacuteznamnějšiacute vliv kteryacute se daacute určit pomociacute Nernstovi rovnice

E = E0 minus R sdotTn sdotF

lnaprodviprodareakviprod

Nernstova rovnice uvaacutediacute vztah mezi ideaacutelniacutem standardniacutem potenciaacutelem E0

pro reakci ve člaacutenku ideaacutelniacute rovnovaacutehou potenciaacutelu E při jinyacutech teplotaacutech a parciaacutelniacutem tlaku reaktantů a produktu Jakmile je znaacutem ideaacutelniacute standardniacute potenciaacutel lze určit i ideaacutelniacute napětiacute pro různeacute teploty a tlaky podle Nernstovi rovnice Z teacuteto rovnice pro vodiacutekovou reakci plyne že ideaacutelniacute potenciaacutel člaacutenku při daneacute teplotě může byacutet zvyacutešen pomociacute provozu za vyššiacuteho tlaku reaktantů Nernstova rovnice plně nevysvětluje vliv teploty

44 Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků

Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je funkce napětiacute člaacutenku Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je

ε termo =ΔGΔH

kde ΔG je Gibbsova volnaacute energie ΔH je entalpie Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku určena z tohoto vztahu se rovnaacute 83 Skutečneacute napětiacute při provozu palivoveacuteho člaacutenku je menšiacute než reversibilniacute potenciaacutel to maacute za naacutesledek že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vždy nižšiacute než teoretickaacute Tento jev je způsoben ztraacutetami při využitiacute paliva a ztraacutetami napětiacute Skutečnou uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku můžeme určit ze vztahu

51

ε skut = ε termo sdotεnapeti sdotε palivo

kde εtermo je reversibilniacute termodynamickaacute uacutečinnost člaacutenku εnapeti je uacutečinnost napětiacute a εpalivo ztraacutety při utilizaci paliva Uacutečinnost napětiacute zahrnuje ztraacutety způsobeny nevratnyacutem kinetickyacutem efektem v palivoveacutem člaacutenku Je to poměr mezi provozniacutem napětiacute palivoveacuteho člaacutenku V a termodynamickeacuteho reversibilniacuteho napětiacute člaacutenku E

εnapeti =VE

Uacutečinnost utilizace paliva vyjadřuje fakt že ne všechno palivo dodaneacute do člaacutenku se bude podiacutelet na elektrochemickeacute reakci Uacutečinnost je poměr paliva použiteacuteho na produkci daneacuteho množstviacute elektrickeacute energie ku celkoveacutemu množstviacute paliva dodaneacuteho do palivoveacuteho člaacutenku kde i je proud generovaacuten palivovyacutem člaacutenkem a vpalivo je rychlost dodaacutevaacuteniacute paliva do člaacutenku [molsec]

ε palivo =i n sdotFvpalivo

Kombinaciacute vztahů pro jednotliveacute uacutečinnosti dostaneme naacutesledujiacuteciacute vztah pro skutečnou uacutečinnost člaacutenku

ε skut =Δg

ΔhHHVsdotVEsdot i n sdotFvpalivo

Na obraacutezku 19 je porovnaacuteniacute uacutečinnostiacute jednotlivyacutech metod vyacuteroby elektrickeacute energie Z obraacutezku je jasně patrneacute že celkovaacute uacutečinnost palivovyacutech člaacutenku převyšuje ostatniacute způsoby vyacuteroby elektrickeacute energie

Obr 19 Uacutečinnost vyacuteroby elektrickeacute energie [8]

52

45Typy palivovyacutech člaacutenků

Jednotliveacute typy palivovyacutech člaacutenků se lišiacute předevšiacutem typem použiteacuteho elektrolytu Typ elektrolytu určuje provozniacute teplotu jež se pro různeacute typy palivovyacutech člaacutenků vyacuterazně lišiacute

451 Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech vyššiacutech než 600 degC (1100degF) Tyto vysokeacute teploty umožňujiacute samovolnyacute vnitřniacute reforming lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv jako je metan ndash na vodiacutek a uhliacutek za přiacutetomnosti vody Reakce probiacutehajiacuteciacute na anodě za podpory nikloveacuteho katalyzaacutetoru poskytuje dostatek tepla požadovaneacuteho pro proces parniacuteho reformingu Vnitřniacute reforming odstraňuje potřebu samostatneacuteho zařiacutezeniacute na zpracovaacuteniacute paliva a umožňuje palivoveacutemu člaacutenku zpracovaacutevat i jinaacute paliva než čistyacute vodiacutek Tyto vyacuteznamneacute vyacutehody vedou k naacuterůstu celkoveacute uacutečinnosti teacuteměř o 15 Během naacutesledujiacuteciacute elektrochemickeacute reakce je uvolňovaacutena chemickaacute energie kterou palivovyacute člaacutenek zpracovaacutevaacute Tato chemickaacute energie pochaacuteziacute z reakce mezi vodiacutekem a kysliacutekem při ktereacute vznikaacute voda Z reakce mezi oxidem uhelnatyacutem a kysliacutekem jejiacutemž produktem je oxid uhličityacute Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky produkujiacute takeacute vysokopotenciaacutelniacute odpadniacute teplo jež může byacutet použito pro uacutečely kogenerace Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky reagujiacute velmi snadno a bez potřeby drahyacutech katalyzaacutetorů z ušlechtilyacutech kovů Množstviacute energie uvolněneacute elektrochemickou reakciacute klesaacute s rostouciacute provozniacute teplotou člaacutenku Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky jsou naacutechylneacute na materiaacuteloveacute poruchy Maleacute množstviacute materiaacutelu je schopno po dlouho dobu při vysokyacutech teplotaacutech pracovat bez degradace Vysokoteplotniacute provoz neniacute vhodnyacute pro rozsaacutehleacute vyacuteroby nebo pro aplikace kde je požadovaacuten rychlyacute start zařiacutezeniacute Současneacute aplikace teacuteto metody se zaměřujiacute na stacionaacuterniacute elektraacuterenskeacute zdroje Nejvyacuteznamnějšiacutemi vysokoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů tzv MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů využiacutevajiacute elektrolytu kteryacute je schopen přenaacutešet uhličitanoveacute ionty CO3 2- od katody k anodě Elektrolyt se sklaacutedaacute z roztaveneacute směsi uhličitanu lithia a uhličitanu draselneacuteho Směs je udržovaacutena pomociacute kapilaacuterniacutech sil v keramickeacute podpůrneacute mřiacutežce z hlinitanu litneacuteho Při provozniacute teplotě se struktura elektrolytu změniacute na stav podobnyacute pastě kteraacute umožňuje uacuteniky plynů na okrajiacutech člaacutenku Tyto palivoveacute člaacutenky pracujiacute s teplotami okolo 650 degC a tlaky v rozmeziacute relativniacutech hodnot 1 až 10 barů Každyacute člaacutenek je schopen produkovat stejnosměrneacute napětiacute mezi 07 a 1 V Princip fungovaacuteniacute tohoto člaacutenku je na obraacutezku 20

53

Obr 20 Scheacutema člaacutenku MCFC [8]

Palivoveacute člaacutenky na baacutezi tekutyacutech uhličitanů jsou schopneacute provozu při zaacutesobovaacuteniacute jak čistyacutem vodiacutekem tak lehkyacutemi uhlovodiacutekovyacutemi palivy Palivo napřiacuteklad metan je dopraveno na anodu za přiacutetomnosti vody přijme teplo a podstoupiacute reakci parniacuteho reformingu

CH 4 + H2Orarr 3H2 +CO Pokud bude jako palivo použit jinyacute lehkyacute uhlovodiacutek potom se může počet molekul vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho změnit ale produkty reakce jsou v podstatě vždy stejneacute Reakce na anodě molekuly vodiacuteku s uhličitanovyacutem iontem probiacutehaacute bez ohledu na druh použiteacuteho paliva a vypadaacute naacutesledovně

H2 +CO32minus rarr H2O +CO2 + 2e

minus

Reakce probiacutehajiacuteciacute na katodě a to kysliacuteku s oxidem uhličityacutem probiacutehaacute opět bez ohledu na druhu paliva

O2 + 2CO2 + 4eminus rarr 2CO3

2minus

Iont CO3 2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě Dochaacuteziacute k reakci iontu CO3 2- jak s vodiacutekem tak oxidem uhelnatyacutem Elektrony prochaacutezejiacute přes elektrickou zaacutetěž nachaacutezejiacuteciacute se ve vnějšiacute čaacutesti elektrickeacuteho obvodu od anody ke katodě Celkovaacute reakce na člaacutenku je tedy

2H2 +O2 rarr 2H2O Vyacuteslednaacute reakce oxidu uhelnateacuteho ke ktereacute dochaacuteziacute pouze v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Produktem palivoveacuteho člaacutenku bez ohledu na palivo je voda V přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva je kromě vody produktem takeacute oxid uhličityacute Pro zajištěniacute plynulosti zajištěniacute kvality elektrochemickeacute reakce musiacute byacutet oba produkty plynule odvaacuteděny z katody člaacutenku

54

Mezi hlavniacute vyacutehody palivovyacutech člaacutenků s tekutyacutemi uhličitany patřiacute podpora samovolneacuteho vnitřniacuteho reformingu lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv vyacuteroba vysoko-potenciaacutelniacuteho tepla Samotnaacute reakce nepotřebuje katalyzaacutetory z ušlechtilyacutech kovů maacute velmi dobrou kinetiku a uacutečinnost Palivoveacute člaacutenky ovšem takeacute traacutepiacute mnoho nevyacutehod a provozniacutech omezeniacute Je potřeba vyvinou materiaacutely odolneacute vůči korozi při vysokyacutech teplotaacutech s malyacutem součinitelem objemoveacute roztažnosti ktereacute jsou vysoce mechanicky a tepelně odolneacute a jejichž vyacuteroba je technicky možnaacute Koroze je největšiacute probleacutem těchto člaacutenků Koroze způsobuje oxidaci niklu katody a jeho rozpuštěniacute v elektrolytu to může způsobit zhoršeniacute stavu separaacutetoru vysušeniacute či zaplaveniacute elektrod Korozniacute vlivy způsobujiacute pokles vyacutekonu a zkraacuteceniacute životnosti člaacutenku Rozměrovaacute nestaacutelost způsobenaacute objemovou roztažnostiacute může způsobit zničeniacute elektrod ktereacute změniacute povrch aktivniacute oblasti to může miacutet za naacutesledek ztraacutetu kontaktu a vysokyacute odpor mezi jednotlivyacutemi čaacutestmi člaacutenku Tekutyacute elektrolyt přinaacutešiacute probleacutemy s manipulaciacute člaacutenku Největšiacute nevyacutehodou je dlouhaacute doba potřebnaacute k rozběhu tento fakt tyto člaacutenky odsoudil do pozice použiacutevaacuteniacute pouze ve stacionaacuterniacutech aplikaciacutech

4511 Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů SOFC

Palivoveacute člaacutenky použiacutevajiacute elektrolyt schopnyacute veacutest kysliacutekoveacute ionty O-2 od katody k anodě je to opačnyacute směr než u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků jež vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je tvořen z pevnyacutech oxidů ktereacute majiacute podobu keramiky obvykle zirkonia (stabilizovaneacuteho dalšiacutemi oxidy kovů vzaacutecnyacutech zemin jako je ytrium) Člaacutenky jsou sestavovaacuteny postupnyacutem uklaacutedaacuteniacutem různyacutech vrstev materiaacutelu Běžnaacute uspořaacutedaacuteniacute použiacutevajiacute trubicoveacute či plocheacute tvary jednotlivyacutech člaacutenků Tvary ovlivňujiacute povrch člaacutenku a takeacute těsněniacute člaacutenku a to nejen v důsledku průsaku mezi kanaacutelky paliva a oxidantu ale takeacute vlivem elektrickeacuteho zapojeniacute jednotlivyacutech člaacutenků do bloku Pro materiaacutel elektrod mohou byacutet použity kovy typu niklu a kobaltu Palivoveacute člaacutenky SOFC pracujiacute s teplotami okolo 1000degC a relativniacutemi tlaky kolem 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 08 až 10 V

Obr 21 Scheacutema SOFC [18]

55

Palivoveacute člaacutenky mohou stejně jako MCFC člaacutenky pracovat jak s čistyacutem vodiacutekem tak uhlovodiacutekovyacutemi palivy Vstupniacute palivo se potom sklaacutedaacute jak z vodiacuteku tak z oxidu uhelnateacuteho Reakce na anodě jsou naacutesledujiacuteciacute

H2 +Ominus2 rarr H2O + 2eminus

CO +O2minus rarrCO2 + 2eminus

Reakce na katodě 1 2O2 + 2e

minus rarrO2minus

Iont O2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě vlivem chemickeacute přitažlivosti vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho Uvolněneacute elektrony prochaacutezejiacute vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě V tomto přiacutepadě se ionty pohybujiacute od katody k anodě což je opačnyacute pohyb než probiacutehaacute u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků Produkty reakciacute se tedy hromadiacute spiacuteše na anodě než na katodě Po spojeniacute reakciacute na anodě a katodě můžeme psaacutet vyacutesledneacute reakce člaacutenku

H2 +1 2O2 rarr H2OCO +1 2O2 rarrCO2

Palivoveacute člaacutenky SOFC tedy produkujiacute vodu bez ohledu na použiteacute palivo oxid uhličityacute v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet oba druhy reagentů plynule odvaacuteděny z katody Mezi hlavniacute vyacutehody těchto člaacutenků patřiacute opět umožněniacute samovolneacuteho reformingu uhlovodiacutekovyacutech paliv jelikož ionty kysliacuteku prochaacutezejiacute přes elektrolyt leacutepe než ionty vodiacuteku mohou byacutet tyto člaacutenky použity k oxidaci plynneacuteho paliva Dokaacutežiacute pracovat stejně dobře jak se suchyacutemi tak i vlhkyacutemi palivy Majiacute stejně jako MCFC velkou kinetiku reakce a vysokou uacutečinnost V porovnanaacute s MCFC člaacutenky mohou pracovat s vyššiacute proudovou hustotou a pevnyacute elektrolyt umožňuje snadnějšiacute manipulaci a možnost vyacuteroby rozličnyacutech tvarů a uspořaacutedaacuteniacute Nepotřebujiacute katalyzaacutetor z ušlechtilyacutech kovů Hlavniacute nevyacutehody jsou opět spojeny s vyacutevojem vhodnyacutech materiaacutelů Je zde nutnost vyacutevoje vhodnyacutech materiaacutelů ktereacute majiacute požadovanou vodivost jak elektrickou tak tepelnou a ktereacute zachovaacutevajiacute pevneacute skupenstviacute i při vysokyacutech teplotaacutech jsou chemicky slučitelneacute (kompatibilniacute) s ostatniacutemi čaacutestmi člaacutenku jsou rozměrově staacuteleacute majiacute vysokou mechanickou odolnost a jejichž vyacuteroba je dostatečně technicky zvlaacutednuta Mnoho materiaacutelů je možno použiacutet pro vysokeacute teploty aniž by změnily svoje skupenstviacute na jineacute než pevneacute Vybraneacute materiaacutely musiacute byacutet dostatečně husteacute aby zabraacutenily promiacutechaacutevaacuteniacute paliva s oxidačniacutemi plyny a musiacute miacutet dostatečnou podobnost charakteristik tepelnyacutech roztažnostiacute aby nedošlo k jejich štěpeniacute na vrstvy a k jejich praskaacuteniacute během tepelneacuteho cyklu SOFC palivoveacute člaacutenky jsou citliveacute na přiacutetomnost siacutery v palivu kteraacute nesmiacute překročit hodnotu 500 ppm Celkově je ovšem zatiacutem technologie SOFC nedostatečně vyspělaacute

56

452Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute obvykle s teplotami nižšiacutemi než 250 degC Tyto niacutezkeacute teploty neumožňujiacute vnitřniacute reforming paliva v důsledku čehož vyžadujiacute niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky vnějšiacute zdroj vodiacuteku Na druhou stranu vykazujiacute rychlyacute rozběh zařiacutezeniacute a trpiacute menšiacute poruchovostiacute konstrukčniacutech materiaacutelů Jsou takeacute mnohem vhodnějšiacute pro aplikace v dopravě Nejvyacuteznamnějšiacutemi niacutezkoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC alkalickeacute palivoveacute člaacutenky AFC palivoveacute člaacutenky s protonovou membraacutenou PEM FC a palivoveacute člaacutenky s přiacutemyacutem zpracovaacuteniacutem methanolu DMFC

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute s elektrolytem jenž je schopnyacute veacutest hydroxidoveacute ionty od katody k anodě I tento typ se lišiacute od většiny niacutezkoteplotniacutech člaacutenků ktereacute vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je složen z roztaveneacute alkalickeacute směsi hydroxidu draselneacuteho Elektrolyt může byacutet jak pohyblivyacute tak i pevnyacute Palivoveacute člaacutenky s nepohyblivyacutemi elektrolytem použiacutevajiacute tuhyacute elektrolyt jež je udržovaacuten pohromadě pomociacute kapilaacuterniacutech sil uvnitř poreacutezniacute podpůrneacute krystalickeacute mřiacutežky kteraacute je tvořena azbestem Hmota samotnaacute zajišťuje těsněniacute proti uacuteniku plynů na okraji člaacutenku Produkovanaacute voda se odpařuje do proudu zdrojoveacuteho vodiacutekoveacuteho plynu na straně anody kde současně dochaacuteziacute k jejiacute kondenzaci Odpadniacute teplo je odvaacuteděno přes obiacutehajiacuteciacute chladivo Alkalickeacute člaacutenky pracujiacute v rozmeziacute teplot 65 až 220degC a při relativniacutem tlaku okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vytvaacuteřet stejnosměrneacute napětiacute mezi 11 až 12 V Zjednodušeneacute scheacutema je na obraacutezku 22

Obr 22 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [18]

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky musiacute pracovat pouze s čistyacutem vodiacutekem bez přiacuteměsi oxidů uhliacuteku Na anodě se odehraacutevajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 + 2K+ + 2OH minus rarr 2K + 2H2O

2Krarr 2K + + 2eminusReakce na katodě jsou tyto

57

1 2O2 + H2Orarr 2OH

2OH + 2eminus rarr 2OH minus

Hydroxidoveacute ionty OH- prochaacutezejiacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem chemickeacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny obiacutehat vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě Sloučeniacutem anodovyacutech a katodovyacutech reakciacute můžeme napsat celkoveacute reakce pro alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

H2 + 2OHminus rarr 2H2 + 2e

minus

1 2O2 + H2O + 2eminus rarr 2OH minus

Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek produkuje vodu jež se odpařuje do proudu vstupujiacuteciacuteho vodiacuteku (v přiacutepadě systeacutemů s nepohyblivyacutem elektrolytem) či je odvaacuteděna z palivoveacuteho člaacutenku s elektrolytem (u systeacutemů s pohyblivyacutem elektrolytem) Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet tato voda z člaacutenku odvaacuteděna plynule Mezi vyacutehody AFC člaacutenků patřiacute niacutezkaacute provozniacute teplota rychleacute startovaciacute časy (při teplotě rovneacute teplotě okoliacute jsou schopny dodat 50 jmenoviteacuteho vyacutekonu) Člaacutenek je vysoce uacutečinnyacute a spotřebovaacutevaacute minimaacutelniacute množstviacute platinoveacuteho katalyzaacutetoru AFC se vyznačuje malou hmotnostiacute a objemem minimaacutelniacute koroziacute a relativně jednoduchyacutem provozem Mezi nevyacutehody patřiacute potřeba čisteacuteho vodiacuteku jako paliva relativně kraacutetkaacute životnost a potřeba složiteacuteho systeacutemu vodniacuteho hospodaacuteřstviacute Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem tvořenyacutem kapalnou kyselinou fosforečnou je schopen veacutest vodiacutekoveacute ionty (protony) H+ od anody směrem ke katodě Kyselina fosforečnaacute se nachaacuteziacute uvnitř krystalickeacute mřiacutežky tvořeneacute karbidem křemiacuteku (některeacute palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyselin použiacutevajiacute jako elektrolyt kyselinu siacuterovou) PAFC člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech od 150 do 205degC a s relativniacutem tlakem okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 11 V U PAFC člaacutenků reaguje vodiacutek s kysliacutekem Reakci na anodě můžeme popsat naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

Reakce na katodě maacute potom tento tvar1 2O2 + 2e

minus + 2H + rarr H2O Proton vodiacuteku prochaacuteziacute elektrolytem od anody směrem ke katodě na zaacutekladě přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny prochaacutezet vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem v opačneacutem směru Sloučeniacutem anodoveacute a katodoveacute reakce ziacuteskaacuteme obecnou reakci pro člaacutenek kterou můžeme popsat2H2 +O2 rarr 2H2O PAFC člaacutenky produkujiacute voda kteraacute se hromadiacute na katodě Abychom zajistili dostatečnou kvalitu reakce musiacute byacutet produktovaacute voda postupně ze člaacutenku odvaacuteděnaPAFC člaacutenky jsou schopny sneacutest vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho v palivu (až 30) a proto PAFC nepožadujiacute čištěniacute vzduchu jako okysličovadla a reformaacutetoru jako paliva Pracujiacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech i tak jsou tyto teploty o něco vyššiacute než u ostatniacutech niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenciacutech proto produkujiacute odpadniacute teplo o vyššiacutem potenciaacutelu ktereacute může byacutet využito v kogeneračniacutech aplikaciacutech

58

PAFC člaacutenky jsou naacutechylneacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu kteryacute nesmiacute přesaacutehnout 2 Daacutele jsou citliveacute na obsah siacutery v palivu maximaacutelniacute obsah siacutery by neměl překročit 50 ppm Tiacutem že se použiacutevaacute korozivniacute tekutyacute elektrolyt vznikajiacute probleacutemy s koroziacute konstrukčniacutech materiaacutelů PAFC jsou velkeacute a těžkeacute a nejsou schopny samostatneacuteho reformingu uhliacutekovyacutech paliv Je potřeba jednotku před provozem zahřaacutet a musiacute byacutet trvale udržovaacuteny na provozniacute teplotě Noveacute formy palivovyacutech člaacutenků s elektrolytem na baacutezi kyselin využiacutevajiacute pevnyacutech kyselinovyacutech elektrolytů Tyto člaacutenky jsou vyrobeny ze sloučenin typu CsHSO4 pracujiacute s teplotami až do 250 degC a s napětiacutem napraacutezdno (otevřeneacuteho obvodu) 111 V DC Daacutele nabiacutezejiacute vyacutehodu provozu bez vlhkosti při zmiacuterněniacute citlivosti na oxid uhelnatyacute a možnosti samostatneacuteho reformingu metanolu Trpiacute však degradaciacute vlivem obsahu siacutery velikou houževnatostiacute (tvaacuternostiacute) při teplotaacutech nad 125 degC a rozpustnostiacute ve vodě Vyacuterobniacute techniky pro praktickeacute využitiacute nebyly ještě vyvinuty

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami PEM FC

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (nebo teacutež člaacutenky s pevnyacutem polymerem) použiacutevajiacute elektrolyt jenž je schopnyacute veacutest protony H+ od anody ke katodě Elektrolyt je vytvořen z pevneacuteho polymerniacuteho filmu kteryacute se sklaacutedaacute z okyseleneacuteho teflonu Fyzicky je každyacute palivovyacute člaacutenek vytvořen z membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA - Membrane Electrode Assembly) jež se sklaacutedaacute z anody katody elektrolytu a katalyzaacutetorů Všechny čaacutesti jsou umiacutestěny mezi dvěma deskami vyrobenyacutemi z grafitu a označovanyacutemi jako bipolaacuterniacute desky (Flow Field Plates desky s kanaacutelky pro rozvod plynů paliva a okysličovadla) Tyto desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo k jednotlivyacutem stranaacutem membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA) Chladivo se použiacutevaacute k regulaci reakčniacute teploty palivoveacuteho člaacutenku Pro snadnějšiacute regulaci jsou mezi každyacute palivovyacute člaacutenek umiacutestěny chladiacuteciacute desky Tyto chladiacuteciacute desky rozvaacutedějiacute chladivo uvnitř palivoveacuteho člaacutenku za uacutečelem absorpce či dodaacutevky požadovaneacuteho tepla Těsněniacute mezi grafitovyacutemi deskami zajišťuje aby se proud okysličovadla paliva a chladiva uvnitř palivoveacuteho člaacutenku nepromiacutechal Elektrickeacute desky (koncoveacute elektrody člaacutenku) jsou umiacutestěny na uacuteplnyacutech konciacutech do seacuterie řazenyacutech bipolaacuterniacutech desek (Flow Field Plates) Tyto desky se spojujiacute se svorkami ze kteryacutech je ziacuteskaacutevaacutena elektrickaacute energie palivoveacuteho člaacutenku (stacku) V přiacutepadě velkyacutech palivovyacutech člaacutenků musiacute byacutet jednotliveacute desky stlačeny a sešroubovaacuteny dohromady pomociacute tyčiacute či spojeny jinyacutem mechanickyacutem způsobem Elektrody zprostředkovaacutevajiacute přechod mezi deskami s rozvodnyacutemi kanaacutelky a elektrolytem Musiacute umožnit průnik vlhkyacutem plynům poskytnout reakčniacute povrch v miacutestě styku s elektrolytem musiacute byacutet vodiveacute pro volneacute elektrony jež proteacutekajiacute od anody ke katodě a musiacute byacutet zkonstruovaacuteny ze vzaacutejemně slučitelnyacutech materiaacutelů Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute papiacuter s uhliacutekovyacutemi vlaacutekny poněvadž je poreacutezniacute hydrofobniacute (nesmaacutečivyacute) vodivyacute a nekorodujiacuteciacute Materiaacutel elektrod je velmi tenkyacute v důsledku maximalizace (vystupňovaacuteniacute) množstviacute dopravovaneacuteho plynu a vody Katalyzaacutetor se přidaacutevaacute na povrch každeacute elektrody na stranu elektrolytu za uacutečelem naacuterůstu rychlosti průběhu chemickeacute reakce Katalyzaacutetor podporuje chemickou reakci aniž by byl během teacuteto reakce spotřebovaacutevaacuten Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute platina neboť vykazuje vysokou elektro-katalytickou činnost chemickou stabilitu a elektrickou vodivost Platina je velmi drahaacute takže jejiacute množstviacute

59

(znaacutemeacute jako katalyzaacutetoroveacute naacuteklady) ovlivňuje cenu palivoveacuteho člaacutenku Konstrukteacuteři palivovyacutech člaacutenků usilujiacute o minimalizaci množstviacute použiteacute platiny za současneacuteho zachovaacuteniacute vyacutekonu palivoveacuteho člaacutenku Elektrolyt tvořiacute tenkaacute membraacutena z plastoveacuteho filmu jejiacutež tloušťka je obvykle od 50 do 175 microm (mikronů) Tyto membraacuteny se sklaacutedajiacute z fluorem dotovanyacutech siřičitanovyacutech kyselin ktereacute stejně jako teflonoveacute fluoro-uhliacutekoveacute polymery majiacute řetězec končiacuteciacute zbytkem kyseliny siřičiteacute (-SO3-2) Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami použiacutevajiacute totiž kyselyacute elektrolyt stejně jako palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute Všechny kyseleacute pevneacute elektrolyty vyžadujiacute přiacutetomnost molekul vody pro vodivost vodiacutekovyacutech iontů (protonů) poněvadž vodiacutekoveacute ionty se pohybujiacute společně s molekulami vody v průběhu vyacuteměnneacute iontoveacute reakce Podiacutel vody k vodiacutekovyacutem iontům u efektivniacute vodivosti je obvykle okolo 31 Z tohoto důvodu musiacute byacutet plyny v kontaktu s membraacutenou nasyceneacute vodou pro lepšiacute funkci palivoveacuteho člaacutenku Na molekulaacuterniacute uacuterovni maacute polymer trubicovitou strukturu ve ktereacute jsou skupiny siřičitanovyacutech kyselin na vnitřniacutem povrchu trubic Tyto skupiny poskytujiacute hydrofilniacute (majiacute přiacutechylnost k vodě lehce smaacutečitelneacute) potrubiacute pro vedeniacute vody Vnějšiacute čaacutesti trubic jsou z hydrofobniacuteho fluorovaneacuteho materiaacutelu Trubkoviteacute struktury se scvrkaacutevajiacute a přeskupujiacute s poklesy obsahu vody Při stlačovaacuteniacute (zužovaacuteniacute) těchto trubek během dehydratace rapidně klesaacute vodivost což vede k naacuterůstu odporu kontaktu mezi membraacutenou a elektrodou To může veacutest až k prasklinaacutem a diacuteraacutem v membraacuteně Všechny elektrolyty musiacute vykazovat zaacutekladniacute vlastnosti jimiž jsou vodič protonů elektronovyacute izolant (nejsou schopny veacutest elektrony) a separaacutetor plynů Vyacuterobci se takeacute snažiacute produkovat membraacuteny ktereacute majiacute odpoviacutedajiacuteciacute mechanickou pevnost rozměrovou staacutelost (odolnost vůči vybouleniacute) vysokou iontovou vodivost niacutezkou atomovou hmotnost (vaacuteha polymeru vztaženaacute k množstviacute kyselyacutech zbytků) a jsou snadno zhotovitelneacute Do jisteacute miacutery je možneacute mechanickou a rozměrovou staacutelost polymeru zajistit jeho včleněniacutem do membraacutenoveacuteho uskupeniacute jež poskytne podpůrnou strukturu

Obr 23 PEM člaacutenek firmy Horizon zdroj [19]

Bipolaacuterniacute desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo na obou vnějšiacutech stranaacutech membraacutenoveacuteho uskupeniacute Každaacute z těchto desek obsahuje kanaacutelky serpentinoviteacuteho tvaru ktereacute maximalizujiacute kontakt plynu s membraacutenovyacutem uspořaacutedaacuteniacutem Specifickyacute tvar kanaacutelků pro plyn je kritickyacute pro homogenniacute vyacuterobu elektrickeacute energie staacutelyacute vyacutekon člaacutenku a spraacutevnou funkci vodniacuteho hospodaacuteřstviacute člaacutenku Tvary bipolaacuterniacutech desek jsou vyraacuteběny v zaacutevislosti na použitiacute palivovyacutech člaacutenků Každaacute deska musiacute byacutet elektricky

60

vodivaacute Proud vznikajiacuteciacute během elektrochemickeacute reakce může teacuteci z jednoho člaacutenku do druheacuteho až k postranniacutem deskaacutem ze kteryacutech je elektrickaacute energie odebiacuteraacutena do vnějšiacuteho elektrickeacuteho obvodu Desky se obvykle vyraacutebějiacute z grafitu (uhliacuteku) přičemž kanaacutelky jsou vyrobeny technologiiacute obraacuteběniacute nebo lisovaacuteniacute Grafit se upřednostňuje jako materiaacutel pro svou vynikajiacuteciacute vodivost a relativně niacutezkeacute naacuteklady Je potřeba miacutet na paměti zvlhčovaacuteniacute reakčniacutech plynů v palivovyacutech člaacutenciacutech Bez zvlhčeniacute se nedosaacutehne požadovanaacute iontovaacute vodivost a může dojiacutet ke zničeniacute palivoveacuteho člaacutenku Množstviacute vody kteryacute je schopen plyn pojmout je zaacutevisleacute na teplotě při zvlhčovaacuteniacute Ciacutelem zvlhčovaacuteniacute je nasytit reakčniacute plyny co největšiacutem množstviacutem vodniacutech par Plyny jsou zvlhčovaacuteny při provozniacute teplotě palivoveacuteho člaacutenku Při zvlhčovaacuteniacute za vyššiacutech teplot může čaacutest vodniacutech par v palivoveacutem člaacutenku kondenzovat Vnitřniacute (interniacute) zvlhčovače se sklaacutedajiacute z přiacutedavnyacutech seacuteriiacutech grafitovyacutech desek začleněnyacutech do palivoveacuteho člaacutenku Tiacutemto dochaacuteziacute k rozděleniacute bloku palivoveacuteho člaacutenku na aktivniacute čaacutest kteraacute obsahuje palivoveacute člaacutenky a neaktivniacute čaacutest jež obsahuje desky zvlhčovače Desky zvlhčovače jsou obdobneacute bipolaacuterniacutem deskaacutem a využiacutevajiacute se k rozvodu plynu a vody po hydrofilniacute membraacuteně Voda se přemiacutesťuje přes membraacutenu a sytiacute omyacutevajiacuteciacute plyn Membraacuteny tohoto typu jsou již komerčně dostupneacute Vnitřniacute zvlhčovače odebiacuterajiacute vodu přiacutemo z chladiacuteciacuteho okruhu (z proudu chladiacuteciacuteho meacutedia) a vyuacutesťujiacute v jednoduchyacute integrovanyacute systeacutem s dobře propojenyacutemi teplotniacutemi charakteristikami Takoveacute uspořaacutedaacuteniacute předem vylučuje využitiacute jineacuteho chladiacuteciacuteho meacutedia než čisteacute vody Čistaacute voda naviacutec zhoršuje probleacutemy při startu palivoveacuteho člaacutenku neboť při niacutezkyacutech teplotaacutech může dojiacutet k jejiacutemu zamrznutiacute Kromě toho vede zakomponovaacuteniacute zvlhčovače do palivoveacuteho člaacutenku k naacuterůstu rozměrů palivoveacuteho člaacutenku a komplikuje jeho opravy neboť obě čaacutesti musiacute byacutet opravovaacuteny současně Vnějšiacute zvlhčovače se nejčastěji navrhujiacute jako membraacutenoveacute či kontaktniacute Membraacutenoveacute jsou založeny na obdobneacutem principu jako vnitřniacute zvlhčovače avšak jsou umiacutestěny odděleně Kontaktniacute zvlhčovače využiacutevajiacute principu rozprašovaacuteniacute zvlhčovaciacute vody na horkyacute povrch či do komory s velkou povrchovou plochou kterou proteacutekaacute jeden z reagujiacuteciacutech plynů Voda se potom odpařuje přiacutemo do plynu a způsobuje jeho nasyceniacuteVnějšiacute zvlhčovače mohou odebiacuterat vodu z chladiacuteciacuteho okruhu nebo mohou byacutet vybaveny samostatnyacutem vodniacutem okruhem Vyacutehody a nevyacutehody pro přiacutepad odběru vody z okruhu chladiacuteciacuteho meacutedia jsou stejneacute jako u vnitřniacutech zvlhčovačů V přiacutepadě zvlhčovače se samostatnyacutem vodniacutem okruhem může byacutet jako chladivo použito meacutedium s vyššiacutemi niacutezkoteplotniacutemi charakteristikami než maacute voda čiacutemž se však stane vzaacutejemnaacute vazba mezi teplotou zvlhčovače a palivoveacuteho člaacutenku daleko komplikovanějšiacute Bez ohledu na zdroj vody vede využiacutevaacuteniacute vnějšiacuteho zvlhčovače k nutnosti použitiacute samostatnyacutech součaacutestiacute ktereacute jsou pravděpodobně rozměrnějšiacute a takeacute mohutnějšiacute zvlaacuteště v přiacutepadě kontaktniacuteho zvlhčovače PEM člaacutenky pracujiacute s teplotami 70 až 90 degC a relativniacutem tlakem 1 až 2 bary Každyacute člaacutenek je schopnyacute generovat napětiacute okolo 11 V

61

Obr 24 Scheacutema PEM člaacutenku [18] V palivovyacutech člaacutenciacutech typu PEM spolu reagujiacute vodiacutek a kysliacutek Reakce na anodě a anodě probiacutehajiacute naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

1 2O2 + 2eminus + 2H + rarr H2O

Proton H+ prochaacuteziacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem vzaacutejemneacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou využity k oběhu od anody ke katodě přes vnějšiacute elektrickyacute obvod Sloučeniacutem reakciacute na anodě a katodě ziacuteskameacute celkovou reakci pro PEM člaacutenek

H2 +1 2O2 rarr H2O PEM člaacutenky dobře snaacutešiacute vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho jak v palivu tak okysličovadlu proto mohou PEM člaacutenky pracovat se znečištěnyacutem vzduchem jako okysličovadlem a reformaacutetorem jako palivem Tyto člaacutenky pracujiacute s niacutezkyacutemi teplotami což zjednodušuje požadavky na použiteacute materiaacutely umožňuje rychlyacute start a zvyšuje bezpečnost Je použit pevnyacute suchyacute elektrolyt to eliminuje naacuteroky na manipulaci s tekutinami snižuje pohyb elektrolytu a probleacutemy spojeneacute s jeho doplňovaacuteniacutem Elektrolyt neniacute korozivniacute tiacutem samozřejmě klesajiacute probleacutemy s koroziacute materiaacutelů PEM člaacutenky majiacute vysokeacute člaacutenkoveacute napětiacute vysokou proudovou a energetickou hustotu Pracovniacute tlaky jsou relativně niacutezkeacute a člaacutenek je schopen reagovat na proměnnost tlaku bez většiacutech probleacutemů Tvarově jsou PEM člaacutenky jednoducheacute kompaktniacute a mechanicky odolneacute PEM člaacutenky jsou citliveacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu (maximum je 50 ppm) jsou schopneacute sneacutest pouze několik ppm sloučeniny siacutery PEM člaacutenky požadujiacute zvlhčovaacuteniacute reakčniacuteho plynu zvlhčovaacuteniacute je energeticky naacuteročneacute a způsobuje naacuterůst rozměru celeacuteho systeacutemu Použitiacute vody pro zvlhčovaacuteniacute paliva limituje provozniacute teplotu palivoveacuteho člaacutenku na hodnotu nižšiacute než je teplota bodu varu vody čiacutemž se redukuje potenciaacutel využitelnyacute v kogeneračniacutech aplikaciacutech PEM člaacutenky použiacutevajiacute draheacute platinoveacute katalyzaacutetory a draheacute membraacuteny se kteryacutemi se obtiacutežně pracuje

62

46 Systeacutem palivovyacutech člaacutenků

Blok palivoveacuteho člaacutenků je jednotka pro přeměnu energie v systeacutemu palivoveacuteho člaacutenku Zdroj se sklaacutedaacute z množstviacute subsysteacutemů pro řiacutezeniacute a regulaci provozu palivoveacuteho člaacutenku Pomocneacute systeacutemy jsou požadovaacuteny pro systeacutem chlazeniacute člaacutenku dopravu a zvlhčovaacuteniacute reaktantů přenos elektrickeacuteho vyacutekonu člaacutenku monitorovaacuteniacute a řiacutezeniacute provozu popřiacutepadě uskladněniacute paliva a okysličovadla Systeacutemy palivovyacutech člaacutenků majiacute vyššiacute tepelneacute uacutečinnosti zvlaacuteště ty s malyacutemi rozměry či středniacutem zatiacuteženiacutem Praacutevě uacutečinnostniacute charakteristika poskytuje hlavniacute impuls pro současnyacute vyacutevoj palivovyacutech člaacutenků Zdroje s palivovyacutemi člaacutenky jsou schopneacute provozu s reformovanyacutemi fosilniacutemi palivy jakyacutem je metanol či zemniacute plyn Zdokonalenaacute tepelnaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku snižuje objem potřebneacuteho paliva a tiacutem zajišťuje i sniacuteženiacute znečišťovaacuteniacute životniacuteho prostřediacute Konfigurace provozniacute charakteristiky a celkovaacute systeacutemovaacute uacutečinnost zdrojů s palivovyacutemi člaacutenky se určuje předevšiacutem vyacuteběrem vhodneacuteho paliva a okysličovadla Nejefektivnějšiacute konfigurace zdrojů je založena na čistyacutech reaktantech - vodiacuteku a kysliacuteku Avšak pro většinu aplikaciacute je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku a kysliacuteku nepraktickeacute a proto se hledajiacute různeacute alternativy Napřiacuteklad vzduch se obvykle u systeacutemů s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM využiacutevaacute jako okysličovadlo pokud je to možneacute Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je sniacutežena v porovnaacuteniacute s provozem s čistyacutem kysliacutekem a znevyacutehodněniacute je ještě umocněno potřebou stlačovaacuteniacute vzduchu Tato znevyacutehodněniacute jsou takeacute většiacute než kompenzace provedenaacute přemiacutestěniacutem uskladněniacute okysličovadla ven ze zdroje Pro určiteacute aplikace je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku nepraktickeacute v důsledku jeho niacutezkeacute uskladňovaciacute hustoty a nedostatečneacute infrastruktury Tekutaacute paliva jako je metanol nafta a petrolej mohou byacutet reformovaacuteny na plyny bohateacute na vodiacutek ktereacute jsou využity pro provoz palivoveacuteho člaacutenku Zemniacute plyn pokud je dostupnyacute může byacutet takeacute využit v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků Reforming však snižuje celkovou uacutečinnost systeacutemu a zapřiacutečiňuje i naacuterůst rozměrů zdroje

461 Systeacutem vodiacutek vzduch

Suchozemskeacute systeacutemy s palivovyacutemi člaacutenky použiacutevajiacute obvykle jako okysličovadlo stlačenyacute vzduch Jako palivo může byacutet použita jakyacutekoliv z vyacuteše zmiňovanyacutech laacutetek avšak čistyacute vodiacutek je nejjednoduššiacute a nejuacutečinnějšiacute pro tyto podmiacutenky Vodiacutek jako palivo maacute relativně niacutezkou objemovou a hmotnostniacute hustotou uskladněniacute energie ve srovnaacuteniacute s tekutyacutemi palivy jež jsou v současnosti využiacutevaacuteny Kromě toho neniacute zde vybudovaacutena dostatečnaacute infrastruktura pro vstup vodiacuteku na světovyacute trh s energiemi A upřiacutemně v současneacute době relativniacuteho dostatku tekutyacutech paliv potřeba tuto infrastrukturu neniacute přiacuteliš velikaacute Zjednodušeneacute scheacutema zdroje na baacutezi palivovyacutech člaacutenků typu PEM použiacutevajiacuteciacute vodiacutek a vzduch je na obraacutezku 25 Vodiacutek je dopravovaacuten ze zaacutesobniacuteků Vodiacutek je zvlhčen a dodaacutevaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Plynovyacute kompresor tlakuje vodiacutek kteryacute z člaacutenku odchaacuteziacute (poměrnyacute obsah vodiacuteku je přibližně 15) jako přebytek paliva a vraciacute ho zpět do vstupniacute čaacutesti okruhu dodaacutevky paliva Čistota vodiacuteku je jedniacutem z nejdůležitějšiacutech požadavků z toho důvodu musiacute byacutet systeacutem velmi dobře uzavřen V systeacutemu anody je instalovaacuten odvzdušňovaciacute ventil kteryacute sloužiacute k periodickeacutemu odvodu nečistot ktereacute se nachaacutezejiacute ve vodiacutekoveacutem zaacutesobniacuteku Okolniacute vzduch je filtrovaacuten stlačen zvlhčen a dodaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Kondenzaacutetor odvaacutediacute produktovou vodu z vyacutestupu vzduchu rekuperačniacute tepelnyacute

63

vyacuteměniacutek ohřiacutevaacute proud vstupniacuteho vzduchu Popsanyacute systeacutem pracuje obvykle s tlakem okolo 2 barů Uzavřenaacute smyčka chladiacuteciacuteho okruhu je zaměstnaacutevaacutena udržovaacuteniacutem provozniacute teploty člaacutenků okolo 80 degC Kondenzaacutetor produktoveacute vody a zvlhčovač reaktantů se začleňuje do chladiacuteciacuteho systeacutemu V systeacutemu chladiacuteciacute vody je daacutele instalovaacuten deionizačniacute filtr z důvodu udrženiacute hladiny čistoty vody Člaacutenek je dokonale izolovaacuten aby se předešlo průsakům vody ven z člaacutenku a kontaminaci membraacuteny prostřednictviacutem nechtěnyacutech iontů Na elektrickeacutem vyacutestupu palivoveacuteho člaacutenku je neregulovaneacute stejnosměrneacute napětiacute Testovaacuteniacute zaacutetěže by se mělo provaacutedět pravidelně aby byly zajištěny dobreacute elektrickeacute podmiacutenky pro předpoklaacutedanou zaacutetěž

Obr 25 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a vzduchem [8]

462Systeacutem vodiacutek kysliacutek

V aplikaciacutech kde neniacute dostupnyacute vzduch jako je vesmiacuter nebo podmořskeacute prostřediacute může byacutet použit čistyacute vodiacutek kysliacutek jako okysličovadlo Kysliacutek je uskladněn jako stlačenyacute plyn či kryogenniacute tekutina Kysliacutek zabiacuteraacute určityacute objem a hmotnost celkoveacuteho energetickeacuteho systeacutemu Palivoveacute člaacutenky potom vykazujiacute většiacute vyacutekon většiacute napětiacute člaacutenku a celkovou uacutečinnost Odstraněniacute zařiacutezeniacute ke stlačovaacuteniacute vzduchu dochaacuteziacute v systeacutemu k poklesu hlučnosti a parazitickyacutech ztraacutet Obraacutezek 26 znaacutezorňuje typickyacute zdroj s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s čistyacutem vodiacutekem a kysliacutekem Je to v podstatě stejnyacute systeacutem jako v přiacutepadě systeacutemu se vzduchem Toky obou reaktantů jsou cirkulovaacuteny skrz palivovyacute člaacutenek pomociacute kompresorů se opětovně natlakujiacute na provozniacute tlak V přiacutepadě dostupnosti vhodnyacutech dopravniacutech tlaků z uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků reaktantů mohou byacutet kompresory nahrazeny čerpadly čiacutemž dojde k eliminaci parazitniacutech ztraacutet spojenyacutech s cirkulaciacute plynu Systeacutemy těchto palivovyacutech člaacutenků jsou obvykle konstruovaacuteny pro provoz

64

v uzavřeneacutem prostřediacute a mohou byacutet provozovaacuteny jako samostatneacute uzavřeneacute systeacutemy V ideaacutelniacutem přiacutepadě je jedinyacutem hmotnyacutem produktem voda Nečistoty ve vstupniacutem vodiacuteku a kysliacuteku postupně zvyšujiacute svou koncentraci v systeacutemu proto je nezbytneacute pravidelneacute čištěniacute Inertniacute čaacutesti paliva jsou vstřebaacutevaacuteny a odvaacuteděny prostřednictviacutem produktoveacute vody palivoveacuteho člaacutenku Potřeba přiacutedavneacuteho čištěniacute je určena požadavkem čistoty u zařiacutezeniacute na uskladněniacute reaktantů životnostiacute zdroje a provozniacutemi podmiacutenkami systeacutemu

Obr 26 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a kysliacutekem [8]

65

5 Instalace ve světě

V současnosti se spojeniacute větrneacute energie a vyacuteroby vodiacuteku použiacutevaacute velmi maacutelo Tento systeacutem maacute ovšem podle mnoha zdrojů obrovskyacute růstovyacute potenciaacutel Nabiacuteziacute jednu z alternativ pro teacuteměř 16 miliardy lidiacute na světě kteřiacute nemajiacute přiacutestup k elektrickeacute energii Trhy pro ktereacute je tato technologie zajiacutemaveacute již dnes jsou izolovaneacute oblasti vyspělyacutech staacutetů Tyto trhy použiacutevajiacute jako hlavniacute zdroj elektrickeacute energie diesel agregaacutety jsou tudiacutež vysoce zaacutevisleacute na dodaacutevkaacutech ropy Vodniacute elektrolyacuteza je použitelnaacute ve spojeniacute s fotovoltaickou a větrnou energiiacute Existuje dobraacute shoda mezi polarizačniacutemi křivkami obnovitelnyacutech zdrojů a elektrolyzeacuterů a mohou byacutet spojeny bez elektronickeacuteho sledovaacuteniacute vyacutekonovyacutech charakteristik při relativně vysokeacute uacutečinnosti Projekty využiacutevajiacuteciacute spojeniacute větrneacute energie již existujiacute Jeden z pilotniacutech projektů je umiacutestěn na ostrově Unst v severniacute čaacutesti Velkeacute Britaacutenie Ciacutelem tohoto projektu je demonstrovat jak větrnaacute energie spojenaacute s využiacutevaacuteniacutem vodiacuteku je schopna pokryacutet energetickeacute potřeby pěti obchodniacutech jednotek v odlehleacute oblasti Větrnaacute energie na Shetlandech nabiacuteziacute velmi dobreacute možnosti pro jejiacute využitiacute nevyacutehodou větrnyacutech podmiacutenek na tomto ostrově je jejich nepředviacutedatelnaacute povaha Pro zajištěniacute stabilniacuteho a spolehliveacuteho dodaacutevaacuteniacute energie je potřeba zajistit dobreacute řiacutezeniacute toku teacuteto energie a skladovaacuteniacute Elektrickaacute siacuteť je na ostrově ve velmi špatneacutem stavu a neumožňuje připojeniacute dalšiacuteho pevneacute připojeniacute z obnovitelnyacutech zdrojů Každyacute novyacute systeacutem musiacute byacutet připojen nezaacutevisle na siacuteti nebo miacutet zajištěn dostatečnou kapacitu pro uskladněniacute energie z těchto zdrojů Na ostrově jsou umiacutestěny 2 větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 15 kW V čase niacutezkeacuteho odběru obchodniacutech jednotek nebo naopak při vysokeacute produkci je přebytek energie použit v elektrolyzeacuteru kteryacute potřebuje přibližně 2-7 kW denniacute produkce vodiacuteku dosahuje přibližně 2 kg vodiacuteku Vodiacutek je uložen ve vysokotlakyacutech naacutedobaacutech a daacutele použiacutevaacuten jako alternativa fosilniacutech paliv Systeacutem je vybaven zaacuteložniacutem zdrojem obsahuje 5 kW palivoveacute člaacutenky a měnič kteryacute převaacutediacute stejnosměrnyacute proud z elektrolyzeacuteru na proud střiacutedavyacute

Obr 27 Scheacutema systeacutemu instalovaneacuteho v Unstu

66

Prvniacutem miacutestem kde došlo v roce 2004 k instalaci vyacuteznamnějšiacuteho autonomniacuteho systeacutemu využiacutevajiacuteciacuteho větrneacute elektraacuterny pro produkci vodiacuteku a jeho naacutesledneacutemu použitiacute pro vyacuterobu elektrickeacute energie je norskyacute ostrov Utsira V pilotniacutem projektu bylo vybraacuteno 10 domaacutecnostiacute do kteryacutech se dodaacutevaacute elektrickaacute energie vyacutehradně z větrneacute energie Ve větrneacutem počasiacute větrneacute elektraacuterny dodaacutevajiacute elektřinu přiacutemo Když produkce elektřiny přesaacutehne aktuaacutelniacute požadavky domaacutecnostiacute je přebytečnaacute elektřina použita pro produkci vodiacuteku v elektrolyzeacuterech Vodiacutek je daacutele stlačen a uložen do tlakovyacutech naacutedob V přiacutepadě že je viacutetr přiacuteliš slabyacute nebo naopak silnyacute a větrneacute elektraacuterna neniacute schopna dodaacutevat elektrickou energii palivoveacute člaacutenky začnou spotřebovaacutevat uskladněnyacute vodiacutek a dodaacutevat elektrickou energii do domaacutecnostiacute Tento systeacutem je schopen dodaacutevat elektrickou energii domaacutecnostem až po dobu 3 dnů v přiacutepadě nedostupnosti větrneacute energie Utsira je velmi větrnyacutem ostrovem kteryacute se jevil jako ideaacutelniacute miacutesto pro pilotniacute projekt tohoto typu Na ostrově byly instalovaacuteny dvě turbiacuteny Enercon E40 každaacute s kapacitou 600 kW Jedna z turbiacuten produkuje elektřinu přiacutemo do siacutetě zatiacutemco druhaacute je připojena do samostatneacuteho systeacutemu a vyacutekon je sniacutežen na 150 kW aby leacutepe odpoviacutedala poptaacutevce Pro stabilizaci nestabilniacute obnovitelneacute energie se použiacutevaacute setrvačniacutek s kapacitou 5 kWh a 100 kVA hlavniacute synchronniacute motor ktereacute vyrovnaacutevajiacute a ovlaacutedajiacute napětiacute a frekvenci Přebytečnaacute energie je uklaacutedaacutena pomociacute elektrolyzeacuteru firmy Hydrogen Technologies s maximaacutelniacutem zatiacuteženiacutem 48 kW 5 kW kompresoru Hofer a tlakovyacutech naacutedob o objemu 2400 Nm3 při tlaku 200 bar Při nedostatku energie z větru se tato potřebnaacute energie dodaacutevaacute pomociacute 5 IRD palivovyacutech člaacutenků o celkoveacutem vyacutekonu 55 kW

Obr 28 Scheacutema projektu v Utsiře

Projekt byl v provozu nepřetržitě po dobu 4 let viacutece než 50 času byly pro dodaacutevaacuteniacute energie použiacutevaacuteny palivoveacute člaacutenky Kvalita dodaacutevky elektrickeacute energie byla dobraacute nebyly hlaacutešeny žaacutedneacute stiacutežnosti I přes uacutespěšnou demonstraci kvality projektu byly odhaleny vyacutezvy ktereacute je potřeba překonat pro zajištěniacute uacutespěchu teacuteto technologie 20 Utilizace větrneacute energie odhalila potřebu pro vyacutevoj uacutečinnějšiacutech elektrolyzeacuterů stejně tak jako zlepšeniacute uacutečinnosti konverze vodiacuteku na elektřinu Palivoveacute člaacutenky v průběhu provozu trpěly určityacutemi probleacutemy jako byl uacutenik chladiciacute kapaliny ze člaacutenku Palivoveacute člaacutenky trpěly takeacute rapidniacute degradaciacute vydržely sotva 100 hodin provozu Tyto probleacutemy spojeneacute s niacutezkou uacutečinnostiacute konverze vodiacuteku zvyacutešili

67

pravděpodobnost že vodiacutek během klidneacuteho větru může dojiacutet Cena a spolehlivost palivovyacutech člaacutenků se musiacute vylepšit aby byl projekt tohoto typu komerčně uacutespěšnyacute Bylo takeacute doporučeno aby budouciacute projekty zahrnovaly viacutece obnovitelnyacutech zdrojů energie Uacutespěch projektu na ostrově Utsira demonstruje uskutečnitelnost kombinace obnovitelneacuteho zdroje energie a vodiacuteku v odlehlyacutech lokalitaacutech a noveacute možnosti použitiacute elektrolyzeacuterů v budouciacutech energetickyacutech systeacutemech Ekonomicky bude tento projekt daacutevat smysl pouze při dalšiacutem vyacutevoji součaacutestiacute systeacutemu je předpoklad že by tato podmiacutenka mohla byacutet splněna za 5 až 10 let

Obr 29 Projekt kombinujiacuteciacute větrnou energii a vodiacutek na ostrově Utsira [20]

68

6Přiacutepadovaacute studie

61Vyacuteběr lokace

Souhrnnaacute dlouhodobaacute data o větru v jedneacute lokaci je velmi složiteacute ziacuteskat Lokace pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny se vybiacuteraacute podle podrobneacute lokaacutelniacute větrneacute mapy jejiacutemž autorem je v Českeacute republice ČHMUacute Naacutesleduje faacuteze měřeniacute rychlosti větru přiacutemo v miacutestě potenciaacutelniacuteho umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Pravidelneacute měřeniacute směru a siacutely větru provaacutediacute ČHMUacute na svyacutech meteorologickyacutech staniciacutech Profesionaacutelniacutech stanic existuje 38 6 stanic spravuje armaacuteda a dalšiacutech 179 je stanic je dobrovolnickyacutech Vzhledem k uacuteplnosti dat jsem se v praacuteci rozhodl použiacutet data z meteorologickeacute stanice na letišti v Mošnově Stanice je primaacuterně určena pro informovaacuteniacute leteckeacuteho personaacutelu o počasiacute v bliacutezkosti letiště Diacuteky vstřiacutecnosti miacutestniacutech meteorologů jsem ziacuteskal data o rychlosti větru v roce 2006 Stanice je umiacutestěna přiacutemo na letištniacute ploše ve vyacutešce 3 m Samotneacute letiště Mošnov ležiacute v severovyacutechodniacute čaacutesti Českeacute republiky 20 km od města Ostravy Data

jsou umiacutestěna v souboru programu Excel jako přiacuteloha 1 Měřeniacute je provaacuteděno nepřetržitě a je vypočiacutetaacutevaacuten 15 sekundovyacute průměr kteryacute sloužiacute jako informace pro piloty Statisticky se zaznamenaacutevajiacute 3 měřeniacute denně Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny jsou potřebneacute dvě důležiteacute informace a to průměrnaacute rychlost větru vstr a standardniacute odchylka σw Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov vstr= 3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1

62 Větrnaacute turbiacutena

Pro tuto praacuteci bylo vybraacuteno jako vhodneacute řešeniacute použitiacute dvou stejnyacutech relativně menšiacutech větrnyacutech turbiacuten firmy Enercon Jmenovityacute vyacutekon turbiacuteny je 330 kW Pro uchyceniacute trojlisteacuteho rotoru o průměru 33 m je použit 50 m ocelovyacute stožaacuter Elektraacuterna je bezpřevodovkovaacute s proměnlivyacutemi otaacutečkami rotoru ktereacute se mohou pohybovat v rozmeziacute 15-45 otmin Hlavniacute ložiska jsou jednořadaacute kuželiacutekovaacute Enercon dodaacutevaacute vlastniacute generaacutetor Jednaacute se o prstencovyacute generaacutetor kteryacute je přiacutemo pohaněnyacutesynchronniacute s variabilniacute frekvenciacute Elektraacuterna je daacutele vybavena brzdou rotoru aretaciacute rotoru a třemi soběstačnyacutemi systeacutemy nastavovaacuteniacute listů s nouzovyacutem zdrojem Startovaciacute rychlost je 25 ms-1 jmenovitaacute rychlost 12 ms-1 a odpojovaciacute rychlost je 12 ms-1 Tabulka 7 uvaacutediacute hodnoty jmenoviteacuteho vyacutekonu elektraacuterny při danyacutech rychlostech větru

Rychlost větru [ms]

Vyacutekon [kW]

Kapacitniacute faktor [-]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 5 137 30 55 92 138 196 250 293 320 335 335 335 335

0 035 040 045 047 050 05 05 047 041 035 028 023 018 015

Tab 7 Vyacutekonoveacute charakteristiky turbiacuteny E33 [21]

69

Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny se potom určiacute pomociacute vyacutepočtu v programu Mathcad tento vyacutepočet je součaacutestiacute přiacutelohy 2 Pro určeniacute vyacutekonoveacute křivky použijeme tabulku 7 zobrazujiacuteciacute rychlost větru a jemu odpoviacutedajiacuteciacute vyacutekon Data proložiacuteme křivkou spline kteraacute je aproximaciacute tabulkovyacutech hodnot Použijeme funkci cspline kteraacute je v programu Mathcad definovaacutena Vyacuteslednaacute křivka je potom zobrazena na obraacutezku 30 Křivka je určena pro teplotu t=15degC a nadmořskou vyacutešku h=0 m

Obr 30 Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny E33

63 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov

Celyacute vyacutepočet je umiacutestěn v přiacuteloze 2 Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr= 3596 ms-1 standardniacute odchylky σw=254 ms-1 a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 1459

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 3969

Spektrum rozloženiacute hustoty rychlostiacute větru v daneacute lokalitě se popisuje pomociacute Weibullovy pravděpodobnostniacute funkce grafickeacute zobrazeniacute je na obraacutezku 31

70

f x( ) = kcsdot xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdotexp minus xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

Obr 31 Weibullova funkce pro letiště Mošnov

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě mošnovskeacuteho letiště je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 3 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 015 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 682m sdot sminus1

Rozdiacutel v průměrnyacutech rychlostech je převaacutežně způsoben působeniacutem mezniacute vrstvy u povrchu Země Hustota vzduchu v miacutestě instalace značně ovlivňuje vyacuteslednyacute vyacutekon větrneacute elektraacuterny proto je potřeba ji v celkoveacutem vyacutepočtu zohlednit Hustota vzduchu ρ [kgm3] je zaacutevislaacute předevšiacutem na teplotě t [degC] a nadmořskeacute vyacutešce Z [m] dle vztahu

ρ = 33505t + 2731

sdotexp minus981sdotZ287 sdot(t + 2731)

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

71

Dalšiacute veličinou kterou je před samotnyacutem vyacutepočtem určit je kapacitniacute faktor CFA [-] Kapacitniacute faktor je jinyacutem naacutezvem součinitel využitiacute a určuje zastoupeniacute času při ktereacutem jsou schopny větrneacute elektraacuterny byacuteti v provozu Tento součinitel zaacuteviacutesiacute na typu větrneacute elektraacuterny daacutele pak na maximaacutelniacute rychlosti větru Uf [ms] minimaacutelniacute rychlosti větru Uc [ms] naacutevrhoveacute rychlosti větru Ur [ms] a Weibullovyacutech faktorech c a k dle naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 029

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Mošnově použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 257 m průměrnaacute teplota t= 65 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=682 ms Pnom se potom rovnaacute 8447 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obraacutezku 32

Obr 32 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro mošnovskou lokalitu Pav= 24 445 W Ročniacute průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 24445 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na letišti v Mošnově je potom Pwf=44691 kW Tato hodnota je na vyacutekon 330kW elektraacuterny velmi niacutezkaacute instalace tedy postraacutedaacute ekonomickyacute smysl a je potřeba určit jineacute umiacutestěniacute instalace Dalšiacutem faktorem znemožňujiacuteciacutem instalaci větrnyacutech elektraacuteren je složitost stavebniacuteho řiacutezeniacute Vzhledem k ochraně letištniacuteho provozu by stavba musela splňovat velmi složitaacute kriteacuteria a byacutet umiacutestěna v dostatečneacute vzdaacutelenosti od letištniacute draacutehy kde už nemusejiacute rychlosti větru odpoviacutedat rychlostem měřenyacutem meteorologickou staniciacute přiacutemo

72

na letišti

64 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce

Obec Noveacute Dvorce na hranici Olomouckeacuteho a Moravskoslezskeacuteho kraje byla vybraacutena jako alternativniacute lokalita splňujiacuteciacute zaacutekladniacute požadavek o průměrneacute ročniacute rychlosti větru V lokalitě Červeneacuteho kopce kteryacute je v bliacutezkosti obce Noveacute Dvorce je umiacutestěno již v současneacute době 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele větrneacuteho parku a to firmy Větrnaacute energie HL sro je v lokalitě Červeneacuteho kopce průměrnaacute rychlost větru vstr= 74 ms-1 standardniacute odchylka σw=35 ms-1 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny v teacuteto lokalitě probiacutehaacute analogicky jako v předešleacute kapitole Prvniacute je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr standardniacute odchylky σw a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu Mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 2225

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 8355

Graf Weibullovy funkce je pro lokalitu Noveacute Dvorce je zobrazen na obraacutezku 32

Obr 32 Weibullova funkce pro lokalitu Noveacute Dvorce

73

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě Novyacutech Dvorců je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 10 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 025 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 10372m sdot sminus1

Kapacitniacute faktor je potom určen podle analogickeacuteho vztahu jako v předešleacute kapitole pro Noveacute Dvorce je kapacitniacute faktor teacuteměř dvojnaacutesobnyacute což znamenaacute zvyacutešeniacute celkoveacuteho vyacutekonu dodaacuteveneacuteho elektraacuternami

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 0474

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Novyacutech Dvorciacutech použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 580 m průměrnaacute teplota t= 73 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=10372 ms Pnom se potom rovnaacute 2467 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obr

Obr 34 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro lokalitu Noveacute Dvorce Pav= 116 845 W Ročniacute

74

průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 116845 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na Červeneacutem kopci je potom Pwf=23369 kW Vypočiacutetanyacute vyacutekon je průměrně dostupnyacute 1500 hodrok jak uvaacutediacute zdroj [2] Celkovaacute elektrickaacute energie vyprodukovanaacute za 1 rok se určiacute dle vztahu

W = PWT sdot1500 = 3505 times105 kWh rok

Takto vysokaacute hodnota je daacutena předevšiacutem vhodnostiacute vybraneacute lokality kapacitniacute faktor CFA se tudiacutež bliacutežiacute nejvyššiacutem hodnotaacutem kteryacutech je elektraacuterna E33 schopna dosaacutehnout a to CFAmax= 05

65 Elektrolyzeacuter

Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutemu rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute Po uvaacuteženiacute předešlyacutech informaciacute byl pro aplikaci vybraacuten vysokotlakyacute elektrolyzeacuter NELP40 firmy Norsk Hydro Elektrolyzeacuter NELP40 maacute vyacutejimečnyacute dynamickyacute rozsah a to mezi 10 až 100 instalovaneacuteho vyacutekonu při zachovaacuteniacute vysokeacute čistoty vodiacuteku Rychlost vyacuteroby vodiacuteku okamžitě reaguje na rychleacute změny přiacutekonu což je ideaacutelniacute vlastnost pro spojeniacute s větrnou energiiacute Elektrolyzeacuter je pod delšiacute dobu schopen byacutet v režimu stand-by což umožňuje okamžiteacute obnoveniacute vyacuteroby vodiacuteku v přiacutepadě dobryacutech větrnyacutech podmiacutenek Tabulka 8 ukazuje provozniacute charakteristiky tohoto elektrolyzeacuteru

Jmenovitaacute Kapacita

Dynamickyacute rozsah kapacity

Vyacutestupniacute tlak

Čistota vodiacuteku

40 Nm3hod (36 kghod)

10 - 100 jmenoviteacute kapacity

16 bar g (232 psi g)

999

75

Naacuteběhovyacute čas ze stand-by do max kapacity

Reakce na dynamickou změnu zatiacuteženiacute

Okolniacute teplota

Kontrolniacute systeacutem

Elektrolyt

Potřebneacute napět

Frekvence zdroje

Spotřeba energie na Nm3 H2

Spotřeba vody na Nm3 H2

Vyacutekon potřebnyacute k maximaacutelniacute produkci

Vodivost vody

Průtok chladiacuteciacute vody

Teplota chladiacuteciacute vody

lt 3 sekundy

lt 1 sekunda

-20degC - +40degC

automatickyacute daacutelkovyacute monitoring a ovlaacutedaacuteniacute

32 vodnyacute roztok KOH

400 V

50 Hz

48 KWh

09 litru

192 kW

lt 5 microScm

15 m3hod při max kapacitě

lt 25degC

Tab 8 Provozniacute charakteristiky NELP40 [5]

Pro vyacutepočet celkoveacuteho množstviacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku danyacutem elektrolyzeacuterem vyjdeme z provozniacutech charakteristik elektrolyzeacuteru a celkoveacute elektrickeacute energie vyprodukovaneacute za 1 rok našimi větrnyacutemi elektraacuternami Vyacutepočet proveden v přiacuteloze 3 Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku VH potřebneacute množstviacute vody VV a hmotnost vyprodukovaneacuteho vodiacuteku mH je potom

VH = 73030Nm3H2 rokmH = 6573kg rokVV = 65730l rok

Pokud chceme vyčiacuteslit cenu produkce 1 kg vodiacuteku musiacuteme v prvniacutem kroku zařadit větrneacute podmiacutenky v našiacute lokalitě zařadit do kategorie klasifikace větrneacute energie podle obraacutezku 33

76

Obr 33 Klasifikace větrneacute energie [22]

Středniacute rychlost větru pro lokalitu Novyacutech Dvorců je vstr=74 ms-1 nicmeacuteně hustota větrneacute energie je odhadem nižšiacute proto naše lokalita spadaacute do kategorie 6 Podle obraacutezku 34 pak můžeme určit cenovyacute interval vyacuteroby 1 kg vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech Dle obraacutezku je nejnižšiacute možnaacute cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku lehce pod 3 dolary neboli 59 Kč

Obr 34 Cena elektrolytickeacute vyacuteroby 1 kg vodiacuteku dle třiacuted větrneacute energie [22]

66 Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta

Vodiacutek neniacute zdrojem ale přenašečem energie Užitiacute vodiacuteku neniacute omezeno pouze na palivoveacute člaacutenky vodiacutek je vyacutehodneacute palivo i pro klasickeacute spalovaciacute (benziacutenoveacute i naftoveacute) motory Užitiacutem vodiacuteku ve spalovaciacutech motorech vznikajiacute NOx i když jako jedineacute polutanty Diacuteky mnohem menšiacutem naacutekladům na uacutepravu spalovaciacutech motorů pro provoz na vodiacutekoveacute palivo v porovnaacuteniacute s palivovyacutemi člaacutenky se jeviacute varianta spalovaacuteniacute vodiacuteku v nich jako přechodně preferovanějšiacute řešeniacute do doby vyacuterazneacuteho sniacuteženiacute naacutekladů na palivoveacute člaacutenky nebo do doby zvyacutešeniacute jejich uacutečinnosti

77

Pro budouciacute hlavniacute vyacuterobu vodiacuteku prostřednictviacutem elektrolyacutezy vody je nutnyacute dalšiacute vyacuteznamnyacute energetickyacute nosič - elektřina Obdobně jako u elektřiny vyacutehody užitiacute vodiacuteku zaacutevisiacute na tom jak je vodiacutek vyraacuteběn Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny např vyraacuteběneacute z uhliacute zvyacutešiacute se sice bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute ale vyacuterazně se zvyacutešiacute emise CO2 Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny z obnovitelnyacutech zdrojů zvyacutešiacute se bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute a sniacutežiacute emise CO2 ale přidaacutevajiacute se dalšiacute vlivy tohoto způsobu vyacuteroby elektřiny (omezenost obnovitelnyacutech zdrojů) Umiacutestěniacute dostatečneacuteho množstviacute paliva ve vozidle je dalšiacute probleacutem kteryacute dnes neniacute uspokojivě vyřešen Hlavniacute vyacutehodou vodiacuteku jako energetickeacuteho nosiče je že nabiacuteziacute cestu k decentralizovaneacutemu energetickeacutemu trhu na baacutezi nefosilniacutech paliv Vodiacutek je možneacute použiacutevat ve vozidle jako palivo bud přiacutemo ve spalovaciacutem motoru nebo jako zdroj elektrickeacute energie v palivoveacutem člaacutenku v elektromobilu Při vyacuterobě vodiacuteku elektrolyacutezou vody použitiacutem elektrickeacute energie vyrobeneacute z obnovitelnyacutech zdrojů je vodiacutek nejčistšiacutem současnyacutem palivem Z hlediska snižovaacuteniacute emisiacute skleniacutekovyacutech plynů je podstatneacute že automobily jezdiacuteciacute na vodiacutek oproti elektromobilům využiacutevajiacuteciacutech elektřinu z fosilniacutech paliv nevytvaacuteřiacute žaacutedneacute emise oxidu uhličiteacuteho Použitiacute vzduchu jako palivoveacute složky při využitiacute niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků nepřinaacutešiacute emise NOx Probleacutemy s bezpečnostiacute a cena vozidel s přiacutemyacutem spalovaacuteniacutem vodiacuteku jsou však hlavniacute důvody proč se současnyacute vyacutevoj využitiacute vodiacuteku v automobilech orientuje spiacuteše na palivoveacute člaacutenky kde se vodiacutek využiacutevaacute na vyacuterobu elektrickeacute energie Nicmeacuteně se zaměřiacuteme na použitiacute vodiacuteku ve spalovaciacutem motoru a to převaacutežně z důvodu možneacuteho rychleacuteho nasazeniacute do provozu jelikož uacuteprava spalovaciacuteho motoru neniacute komplikovanaacute a byla už reaacutelně předvedena Dalšiacutem důvodem je cena automobil vybavenyacute palivovyacutemi člaacutenky o stejneacutem vyacutekonu jako 2 litrovyacute benzinovyacute motor maacute desetinaacutesobnou cenu celkovyacutech naacutekladu na konverzi auta se spalovaciacutem motorem [23] Palivovyacute systeacutem motoru je vybaven elektronickyacutem směšovaciacutem systeacutemem kteryacute určuje směšovaciacute poměr vodiacuteku a vzduchu Spalovaacuteniacute probiacutehaacute s přebytkem vzduchu Přiacutedavnyacute vzduch ve spalovaciacutem prostoru odniacutemaacute teplo a tiacutem klesaacute teplota plamene pod kritickou mez nad niž by se směs mohla sama vzniacutetit Vznikajiacuteciacute oxidy dusiacuteku (NOx) jsou neutralizovaacuteny v redukčniacutem katalyzaacutetoru Bez dalšiacutech přiacutedavnyacutech zařiacutezeniacute pracujiacute vodiacutekoveacute motory prakticky bez emisiacute oproti benzinu jsou všechny emisniacute komponenty sniacuteženy až o 999 [23]

661 Koncept Fordu Focus s vodiacutekovyacutem palivem

Projekt uacutepravy seacuteriově vyraacuteběneacuteho Fordu Focus byl koordinovaacuten daacutenskou nevlaacutedniacute organizaciacute Folkencenter kteraacute byla založena v roce 1983 Hlavniacute naacuteplniacute teacuteto organizace je vyacutevoj testovaacuteniacute a demonstrovaacuteniacute technologiiacute využiacutevajiacuteciacute obnovitelneacute zdroje energie Standardniacute Ford Focus s 2 litrovyacutem benziacutenovyacutem motorem byl konvertovaacuten na použitiacute vodiacuteku jako paliva Vysokotlakaacute naacutedrž na vodiacutek o objemu 90 l byla uložena do zadniacute čaacutesti automobilu Bezpečnostniacute a ovlaacutedaciacute prvky byly speciaacutelně vyvinuty Scheacutema systeacutemu je na obraacutezku 35

78

Obr 35 Scheacutema konceptu vodiacutekoveacuteho Fordu Focus [23]

Motor konceptu je startovaacuten pomociacute benziacutenu a po dostatečneacutem zvyacutešeniacute otaacuteček je automaticky přepnut na vodiacutekoveacute palivo Toto uspořaacutedaacuteniacute umožňuje plynuleacute starty a nabiacuteziacute možnost cestovaacuteniacute na delšiacute trasy za použitiacute konvenčniacutech paliv Modifikace byly provedeny na hlavě vaacutelce Palivovyacute systeacutem vodiacuteku byl nově vyvinut přesneacute elektronickeacute řiacutezeniacute motoru je založeno na rychlosti a zatiacuteženiacute motoru Maximaacutelniacute vyacutekon 46 k dostaneme při 4600 otm což umožňuje vyvinout rychlost až 110 kmh Vyacutekonovaacute křivka motoru je na obraacutezku 36

Obr 36 Porovnaacuteniacute vyacutekonu motoru Fordu Focus při použitiacute vodiacuteku a benziacutenu jako paliva [23]

79

662 Průměrnaacute spotřeba vodiacuteku jako paliva

Pro analyacutezy využitiacute vodiacuteku jako paliva a plaacutenovaacuteniacute spraacutevneacuteho rozvrženiacute čerpaciacutech stanic jsou elektrolytickeacute systeacutemy kategorizovaacuteny do naacutesledujiacuteciacutech kategoriiacute dle [24]

bull Domaacuteciacute velikost poskytne palivo pro 1-5 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 200-1000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho sousedstviacute poskytne palivo pro 5-50 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 1000-10000 kg H2rok

bull Velikost sousedstviacute poskytne palivo pro 50 - 150 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 10000-30000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho předměstiacute což může reprezentovat stojan u staacutevajiacuteciacutech benzinovyacutech pump poskytuje palivo pro 150-500 aut a produkce vodiacuteku dosahuje 30000-100000 kg H2rok

bull Velikost předměstiacute poskytne palivo pro viacutece než 500 automobilů za rok a produkce vodiacuteku bude většiacute než 100000 kg H2rok

Počet aut byl určen vyacutepočtem kteryacute předpoklaacutedaacute spotřebu jednoho auta na 200 kg vodiacuteku za rok Spotřeba 200 kg vodiacuteku předpoklaacutedaacute že auto ujede ročně průměrně 19000 km a průměrnaacute spotřeba bude 104 kg vodiacuteku na 100 km Při použitiacute stejnyacutech předpokladů a a použitiacute množstviacute naacutemi vyrobeneacuteho vodiacuteku a to mH=6573 kg může systeacutem instalovanyacute v Novyacutech Dvorciacutech pokryacutet ročniacute spotřebu až 32 automobilů Při zahrnutiacute informaciacute o naacutekladoveacute ceně na vyacuterobu jednoho 1kg paliva a průměrneacute spotřebě automobilu viz přiacuteloha 3 by cena na ujetiacute jednoho kilometru byla 061 Kč Tato cena nereflektuje daň spotřebniacute ani daň z přidaneacute hodnoty

663 Bezpečnostniacute zaacutesady

Vodiacutek je velmi lehkyacute a hořlavyacute plyn kteryacute ve spojeniacute se vzduchem vytvaacuteřiacute vyacutebušnou směs proto je potřeba dodržovat při konstrukci a provozu systeacutemů využiacutevajiacuteciacutech vodiacutek určiteacute bezpečnostniacute zaacutesady a postupy jako napřiacuteklad

bull Dokonale utěsněneacute trubkoveacute prostupy do zařiacutezeniacute a budovbull Použiacutevat bezpečnaacute zařiacutezeniacute ktereacute neprodukujiacute jiskry (osvětleniacute topeniacute

klimatizace)bull Ověřovaacuteniacute diferenčniacutech tlaků použiacutevaacuteniacute ventilaacutetorůbull Použiacutevaacuteniacute panelů miacuterniacuteciacutech přiacutepadnyacute vyacutebuchbull Testovaacuteniacute vodiacutekoveacuteho potrubiacute na tlakoveacute ztraacutety a uacutenikbull Potrubiacute a tlakoveacute naacutedoby profukovat dusiacutekem před manipulacemi s

armaturami aby jsme minimalizovali pravděpodobnost vytvořeniacute hořlaveacute směsi mezi vodiacutekem a vzduchem

Nouzoveacute vypiacutenače

Pro zajištěniacute rychleacute odstaacutevky vyacuteroby by měly byacutet v miacutestě instalace umiacutestěny nouzoveacute vypiacutenače Spraacutevneacute umiacutestěniacute samozřejmě zaacutevisiacute na konkreacutetniacutem provedeniacute systeacutemu Pro vyacuterobu vodiacuteku pomociacute elektrolyzeacuteru by měly byacutet umiacutestěny řiacutediacuteciacute budově na PLC skřiacuteni dalšiacute vhodneacute miacutesto je mimo hlavniacute vstup do produkčniacute budovy v produkčniacute budově opět umiacutestěniacute v bliacutezkosti PLC skřiacuteně

80

Aktivace nouzoveacuteho vypiacutenače by mělo naacutehle ukončit produkci vodiacuteku nebo odstavit proud přechaacutezejiacuteciacute do elektrolyzeacuteru Aktivace zavře pneumatickyacute ventil tak aby došlo k izolaci vysokotlakeacuteho vodiacuteku uloženeacuteho v zaacutesobniacuteku Naacutemi použityacute alkalickyacute elektrolyzeacuter ukončiacute svou činnost okamžitě po odstaveniacute probiacutehaacute promyacutevaacuteniacute dusiacutekem ktereacute trvaacute 10 až 15 minut

Detekce vodiacuteku

Produkčniacute budova a kompresorovna by měly miacutet vodiacutekoveacute detektory Vodiacutekoveacute detektory začnou vydaacutevat alarm když koncentrace vodiacuteku překročiacute 10 Detektory jsou kontinuaacutelně sledovaacuteny PLC ktereacute v přiacutepadě zvyacutešeniacute koncentrace odstaviacute vyacuterobu vodiacuteku a spustiacute alarm

Ventilace

Odsaacutevaciacute ventilaacutetor instalovaacuten do produkčniacute i kompresoroveacute budovy je v provozu kontinuaacutelně aby se zabraacutenilo nahromaděniacute unikajiacuteciacuteho vodiacuteku Odsaacutevaciacute ventilaacutetor je v provozu pokud probiacutehaacute vyacuteroba vodiacuteku Elektrolyzeacuter i kompresor jsou pozastaveny dokud nebude dosaženo na odsaacutevaciacutem ventilaacutetoru potřebneacute diferenciace tlaku kteryacute indikuje dostatečnyacute průtok vzduchu Tlaky jsou opět monitorovaacuteny PLC ktereacute zastaviacute vyacuterobu v přiacutepadě poklesu rozdiacutelu tlaku

Požaacuterniacute detekce

Protipožaacuterniacute ochrana se obvykle sklaacutedaacute ze dvou požaacuterniacutech hlaacutesičů odolaacutevajiacuteciacutech počasiacute a dvou optoelektronickyacutech detektorů kouře V produkčniacute budově jsou umiacutestěny UVIR detektory a detektory monitorujiacuteciacute tepelnyacute vyacutekon Všechny veškereacute detektory jsou spojeny s PLC ktereacute v přiacutepadě detekce požaacuteru odstaviacute vyacuterobu

81

Zaacutevěr

Praacutece teoreticky nastiňuje možnosti použitiacute hybridniacuteho systeacutemu spojeniacute dvou menšiacutech větrnyacutech elektraacuteren firmy Enercon o jmenoviteacutem vyacutekonu 330 kW a alkalickeacuteho elektrolyzeacuteru NELP40 firmy Norsk Hydro Zaacutekladniacutem krokem vyacutepočtu je nalezeniacute vhodneacute lokality umiacutestěniacute větrnyacutech elektraacuteren Prvotniacute vyacuteběr se provaacutediacute pomociacute větrneacute mapy kterou distribuuje ČHMUacute V našem přiacutepadě byla vybraacutena lokalita letiště v Mošnově Druhyacutem krokem je měřeniacute přiacutemo v miacutestě umiacutestěniacute potenciaacutelniacute větrneacute elektraacuterny Pro tento krok byly využity data dodanaacute miacutestniacute meteorologickou staniciacute Data se statisticky zpracovala a ukaacutezala naacutem zaacutekladniacute vlastnosti větru v mošnovskeacute lokalitě Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov je vstr=3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1 Tyto hodnoty jsou měřeny ve vyacutešce 3 m nad tereacutenem Pomociacute těchto hodnot byly určeny hodnoty tvaroveacuteho Weibull parametru k=1459 a rozměroveacuteho Weibull parametru c=3969 ms-1 Jelikož budou rotory větrneacute elektraacuterny umiacutestěny ve vyacutešce 44 m je potřeba přepočiacutetat průměrnou rychlost větru praacutevě pro 44 m průměrnaacute rychlost větru ve 44 m je potom Ur=682 ms-1 Jedniacutem ze zaacutekladniacutech faktorů ukazujiacuteciacutech kvalitu umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny je tzv kapacitniacute faktor CFA=029 tato hodnota je relativně niacutezkaacute a dalo se tedy předpoklaacutedat že lokalita v Mošnově neniacute ideaacutelniacutem miacutestem pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Domněnka byla potvrzena po dopočiacutetaacuteniacute celkoveacuteho vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren Pwf=44691 kW Tato hodnota je velmi niacutezkaacute pokud vezmeme v potaz celkovyacute nominaacutelniacute vyacutekon obou elektraacuteren kteryacute je 660 kW Podle větrneacute mapy byly vybraacuteny Noveacute Dvorce jako alternativniacute možnost umiacutestěniacute našich elektraacuteren Shodou okolnostiacute toto miacutesto již využiacutevaacute společnost Větrnaacute energie HL sro kteraacute zde umiacutestila 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele byla v miacutestě naměřena průměrnaacute rychlost větru vstr=74 ms=1 a standardniacute odchylka je potom σw=35 ms-1 Tyto hodnoty byly měřeny ve vyacutešce 10 m Vyacutepočet probiacutehal analogicky jako v prvniacutem přiacutepadě Kapacitniacute faktor CFA=0474 Stejně jako v předešleacutem přiacutepadě se dalo tušit že celkovyacute vyacutekon bude vysokyacute maximaacutelniacute kapacitniacute faktor pro větrnou elektraacuternu Enercon E33 je totiž 05 Celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren je v tomto přiacutepadě Pwf=23369 kW což je velmi dobraacute hodnota Předpoklaacutedaacute se že dostupnost tohoto vyacutekonu je 1500 hodin ročně celkovaacute vyrobenaacute elektrickaacute energie W=3505x105 kWhrok Elektrickaacute energie je spotřebovaacutena elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro kteryacute je pomociacute niacute schopen vyrobit mh=6573 kgrok Pro zjištěniacute naacutekladoveacute ceny je prvně potřeba klasifikovat větrneacute podmiacutenky podle zdroje [22] naše lokalita spadaacute do 6 kategorie a cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku je tedy 59 Kč Vodiacutek je daacutele použit jako palivo pro automobily ktereacute použiacutevajiacute konvenčniacute spalovaciacute motory upraveneacute pro spalovaacuteniacute vodiacuteku jako paliva Předpoklaacutedaacuteme že průměrnaacute spotřeba vodiacuteku na jedno auto a rok je 200 kg vodiacuteku Předpoklad zahrnuje ujetiacute 19 000 km za rok a průměrneacute spotřeby 104 kg vodiacuteku na 100 km Produkce vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech by pokryla provoz až 32 automobilů Naacutekladovaacute cena na ujetiacute 1 km by byla 061 Kč naacutekladovaacute cena pro benzinovyacute je průměrně 120 Kč Tyto ceny nereflektujiacute vyacuteši spotřebniacute daně a daně z přidaneacute hodnoty Zejmeacutena u daně z přidaneacute hodnoty se daacute předpoklaacutedat daňoveacute zvyacutehodněniacute pro vodiacutekovyacute pohon jelikož tento způsob vyacuteroby a využitiacute vodiacuteku neuvolňuje žaacutedneacute emise

82

Seznam použiteacute literatury

[1] Lakva P Netradičniacute využitiacute větrneacute energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2009 38 s Vedouciacute bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

[2] Rychetniacutek V Pavelka J Větrneacute motory a elektraacuterny ČVUT Praha 1997

[3] Wind energy [online] [citovaacuteno 2012-10-10] Dostupneacute z lthttpwwwgreenrhinoenergycomrenewablewindgt

[4] Luťcha J Hybridniacute soustava větrneacute elektraacuterny a fotovoltaickyacutech člaacutenků KG Process Innovations Brno 2009

[5] Norwegian Electrolysers [online] [citovaacuteno 2012-04-22] Dostupneacute z lthttpwwwnel-hydrogencomgt

[6] Sherif S A Barbir F Veziroglu T N Wind energy and the hydrogen economy-review of the technology Elsevier 2005

[7] Gupta R Hydrogen fuel production transport and storage San Francisco 2008 ISBN 978-1-4200-4575-8

[8] Sobotka K A wind power fuel cell hybrid system study University of Akureyri 2009

[9] Richard S A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles Universiteacute Laval 1996

[10] Agbossou K Chahine R Hamelin J Renewable energy systems based on hydrogen for remote applications Journal of Power Sources New York 2001

[11] Vijayaraghavan K Trends in biological hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy Rennes 2004

[12] Horaacutek B Koziorek J Kopřiva M Studie pohonu mobilniacuteho prostředku s palivovyacutem člaacutenkem VŠB TU Ostrava 2005

[13] Celik AN On the distributional parameters used in assessment of the suitability of wind speed probability density functions Energy Convers Manag Istanbul 2004 [14] Stolten D Krieg D Weber M An Overview on Water Electrolysis Juelich Research Center Berlin 2010

[15] Bourgeois R Advanced Alkaline Electrolysis GE Global Research Center New York 2006

[16] Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav [online] [citovaacuteno 2013-04-21] Dostupneacute z lthttpwwwchmiczgt

83

Bibliografickaacute citace

Lakva P Vyacuteroba vodiacuteku z obnovitelneacuteho zdroje energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2013 85 s Vedouciacute diplomoveacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

5

Čestneacute prohlaacutešeniacute

Prohlašuji že jsem byl seznaacutemen s předpisy pro vypracovaacuteniacute diplomoveacute praacutece a že jsem tuto praacuteci vypracoval samostatně a zaacuteroveň uvedl všechny použiteacute informačniacute zdroje

V Brně dne 20 5 2013 Petr Lakva

6

Poděkovaacuteniacute

Děkuji panu docentu Ing Jaroslavu Jiacutechovi CSc za poskytnuteacute konzultace a odbornou pomoc Daacutele bych chtěl poděkovat panu Ing Josefu Luťchovi CSc za přiacutenosneacute rady k tomuto projektu a takeacute svyacutem rodičům za podporu během celeacuteho studia

7

Obsah

Seznam použityacutech zkratek 10

Seznam použityacutech symbolů 11

Uacutevod 12

1Větrnaacute energie 14

11Větrneacute turbiacuteny 17

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek 18

2Elektrolyacuteza 24

21Princip elektrolyacutezy 24

22Typy elektrolyacutezy 25

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů 29

24Uacutečinnost elektrolyacutezy 31

25Napětiacute člaacutenků 31

26Vliv provozniacutech podmiacutenek 32

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku 33

3Metody uskladněniacute vodiacuteku 35

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu 37

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu 40

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů 42

34Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku 45

4Palivoveacute člaacutenky 47

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků 47

42Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků 48

43Princip funkce palivovyacutech člaacutenků 49

44Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků 51

45Typy palivovyacutech člaacutenků 52

8

46Systeacutem palivovyacutech člaacutenků 63

5Instalace ve světě 66

6Přiacutepadovaacute studie 69

61Vyacuteběr lokace 69

62Větrnaacute turbiacutena 69

63Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov 70

64Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce 73

65Elektrolyzeacuter 75

66Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta 77

Zaacutevěr 82

Seznam použiteacute literatury 83

Seznam přiacuteloh 85

9

Seznam použityacutech zkratek

AFC Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

ČHMUacute Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav

HF Vodiacutekovyacute filtr

ICI Imperial chemical industries

IR Infračerveneacute zaacuteřeniacute

MEA Membraacutenoveacute uskupeniacute

MCFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů

NASA Naacuterodniacute uacuteřad pro letectviacute a kosmonautiku

NHL Niacutezkyacute horniacute limit

OF Kysliacutekovyacute filtr

PAFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute

PEM Palivovyacute člaacutenek s polymerniacute membraacutenou

PLC Programovatelnyacute logickyacute automat

SOFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů

UV Ultrafialoveacute zaacuteřeniacute

VHL Vysokyacute horniacute limit

10

Seznam použityacutech symbolů

Symbol Vyacuteznam Jednotka

c Rozměrovyacute Weibull parametr -

CFA Kapacitniacute faktor -

CFAmax Maximaacutelniacute kapacitniacute faktor -

hrf Referenčniacute vyacuteška m

k Tvarovyacute Weibull parametr -

mH Hmotnost vyrobeneacuteho vodiacuteku kg

Pav Vyacutekon v naacutevrhoveacutem bodě kW

Pnom Nominaacutelniacute vyacutekon větrneacute turbiacuteny kW

Pwt Vyacutekon jedneacute větrneacute turbiacuteny kW

Pwf Vyacutekon obou větrnyacutech turbiacuten kW

Rgh Deacutelka turbulence -

Ur Naacutevrhovaacute rychlost větru ms-1

VH Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku za rok Nm3rok

vstr Středniacute rychlost větru ms-1

VV Objem vody potřebneacute k elektrolyacuteze l

Z Nadmořskaacute vyacuteška m

σw Standardniacute odchylka ms-1

Ostatniacute zde neuvedeneacute symboly jsou systematicky vysvětlovaacuteny v textu diplomoveacute praacutece

11

Uacutevod

Plneacute vyacutehody využitiacute vodiacuteku jako udržitelneacuteho zdroje paliva mohou byacutet dosaženy pouze v přiacutepadě že vodiacutek je produkovaacuten z obnovitelnyacutech zdrojů energie Využitiacute větrneacute a solaacuterniacute energie zaznamenalo v posledniacutech letech velkyacute pokrok Tento pokrok znamenaacute sniacuteženiacute ceny energie vyrobeneacute z těchto zdrojů Velmi často jsou takoveacute zdroje energie široce dostupneacute pokud napřiacuteklad bereme v uacutevahu Evropu jako celek v samotneacute Českeacute republice jsou možnosti využitiacute větru a slunečniacute energie relativně maleacute vzhledem k celkoveacute energetickeacute poptaacutevce na našem trhu Obnovitelneacute zdroje energie se mohou uplatnit v odlehlyacutech oblastech nebo v oblastech kde neniacute dostatečně vybudovaacutena elektrickaacute siacuteť a pokryacutet lokaacutelniacute energetickeacute požadavky Provoz solaacuterniacutech a větrnyacutech systeacutemů vysoce zaacutevisiacute na meteorologickyacutech podmiacutenkaacutech a tiacutem paacutedem je produkce elektřiny proměnnaacute v čase a často nereflektuje energetickeacute požadavky Řešeniacute tohoto probleacutemu je uloženiacute energie Energie se nejčastěji uklaacutedaacute pomociacute bateriiacute Baterie rychle ztraacuteciacute uloženou energii a mohou byacutet použity pouze v relativně kraacutetkeacutem časoveacutem uacuteseku Baterie majiacute takeacute limitovanou životnost Lepšiacute možnostiacute uloženiacute energie se jeviacute využitiacute vodiacutek jako nositele energie Molekulaacuterniacute vodiacutek v přiacuterodě neexistuje musiacute byacutet ziacuteskaacuten jinyacutemi způsoby Jedinaacute skutečně vyspělaacute technologie ziacuteskaacutevaacuteniacute vodiacuteku z obnovitelnyacutech zdrojů energie je elektrolyacuteza vody při ktereacute je molekula vody rozdělena na kysliacutek a vodiacutek použitiacutem elektrickeacute energie Elektrolyzeacutery jsou založeny na alkalickyacutech elektrolytech nebo protonoveacute membraacuteně kde je použit materiaacutel Nafion jako elektrolyt Stejnyacute materiaacutel je použit jako elektrolyt i v PEM palivovyacutech člaacutenciacutech Systeacutem elektrolyacutezy vody se sklaacutedaacute z elektrolytickyacutech člaacutenků nebo modulů fluidniacuteho subsysteacutemu dodaacutevajiacuteciacuteho vodu do člaacutenku a odvaacutedějiacuteciacuteho plyny ze člaacutenku a elektrickeacuteho subsysteacutemu Hlavniacutemi komponenty vodniacute elektrolyacutezy katoda anoda a separaacutetor Anoda a katoda musiacute byacutet odolneacute korozi a musiacute byacutet dobryacutemi elektrickyacutemi vodiči Kapacita produkce vodiacuteku pomociacute elektrolyacutezy se může pohybovat řaacutedově od několika cm3min až do tisiacuteců m3h Uacutečinnost procesu se řaacutedově pohybuje kolem 70 Proces elektrolyacutezy požaduje vysokou energetickou hustotu takže proce může byacutet velice drahyacute Vyacuteroba levneacuteho vodiacuteku může byacutet dosažena použitiacutem mimo-špičkoveacute elektrickeacute energie kdy je přebytek energie ze solaacuterniacutech panelů nebo větrneacute elektraacuterny použit pro proces elektrolyacutezy Vodiacutek je nejčastěji uložen ve formě stlačeneacuteho plynu v tlakovyacutech naacutedobaacutech ale existujiacute i dalšiacute možnosti uloženiacute vyrobeneacuteho vodiacuteku (v kapalneacutem stavu v pevnyacutech hydridech kovu a nebo v kapalnyacutech nosičiacutech např metanolu) V obdobiacute elektrickyacutech špiček ale při špatnyacutech povětrnostniacutech podmiacutenkaacutech může byacutet vodiacutek použit jako palivo do vysoce efektivniacutech palivovyacutech člaacutenků k uspokojeniacute elektrickeacute poptaacutevky Vodiacutek vyprodukovanyacute větrnou energiiacute lze použiacutet jako alternativniacute palivo do aut Hlavniacutemi průkopniacuteky použiacutevaacuteniacute vodiacuteku v automobiloveacutem průmyslu jsou značky BMW a Toyota Palivoveacute člaacutenky jsou zařiacutezeniacute produkujiacuteciacute elektrickou energii tak dlouho dokud je zajištěna dodaacutevka vodiacuteku jako paliva Člaacutenky pracujiacute na na přiacutemeacute elektrochemickeacute konverzi paliva dosahujiacute tak vysokeacute uacutečinnosti dosahujiacuteciacute 40 Systeacutemy využiacutevajiacuteciacute vodiacutek nabiacuteziacute flexibilitu v dimenzovaacuteniacute diacuteky modularitě elektrolyzeacuterů palivovyacutech člaacutenků a uskladněniacute vodiacuteku Komplikovanost systeacutemu založeneacuteho na vodiacuteku je velmi vysokaacute Pro zajištěniacute kontinuaacutelniacutech dodaacutevek je potřeba zajistit kvalitniacute management energetickyacutech toků mezi jednotlivyacutemi složkami systeacutemu

12

Provoz elektrolyzeacuteru a palivovyacutech člaacutenků v kombinaci s obnovitelnyacutemi zdroji energie přinaacutešiacute několik probleacutemu Prvniacutem probleacutemem je určeniacute velikosti elektrolyzeacuteru vzhledem k vyacutekonu větrneacute elektraacuterny nebo poli solaacuterniacutech panelů Jednou možnostiacute je navrhnout velikost elektrolyzeacuteru tak aby byl schopen přijmout veškeryacute vyacutekon vyprodukovanyacute vyacutekon nebo použiacutet elektrolyzeacuter s vyacutekonem nižšiacutem než je maximum zdroje V prvniacutem přiacutepadě bude elektrolyzeacuter pracovat se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem jako zdroj Toto řešeniacute je ovšem cenově meacuteně konkurenceschopneacute Druhaacute instalace je ekonomicky vyacutehodnějšiacute jelikož elektrolyzeacuter pracuje při vyššiacute kapacitě ale čaacutest elektrickeacute energie musiacute byacutet využito jinyacutem způsobem než pro vyacuterobu vodiacuteku Provoz elektrolyzeacuteru v kombinaci s obnovitelnyacutem zdrojem energie maacute několik probleacutemů ktereacute je potřeba řešit Obnovitelneacute zdroje jsou velmi nestaacuteleacute zdroje energie takto produkovaacutena může značně koliacutesat hodinu od hodiny den od dne obdobiacute od obdobiacute nebo rok od roku Proměnnyacute přiacutekon může způsobit probleacutemy s termoregulaciacute elektrolyzeacuteru Spraacutevnyacute provoz elektrolyzeacuteru zaacutevisiacute na předpoviacutedatelnyacutech pracovniacutech teplotaacutech Elektrolyzeacutery potřebujiacute určitou dobu na zahřaacutetiacute a provoz pod nominaacutelniacutem přiacutekonem může způsobit nižšiacute provozniacute teploty ktereacute majiacute za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti Komprese vodiacuteku se provaacutediacute piacutestovyacutemi a odstředivyacutemi kompresory Spotřeba kompresoru zaacutevisiacute na tlakoveacutem poměru proto je potřeba uvažovat o tlakovyacutech elektrolyzeacuterech ktereacute mohou sniacutežit celkovou spotřebu energie systeacutemu Sniacuteženiacute spotřeby je důsledkem odstraněniacutem elektrickeacute energie potřebneacute pro mechanickou kompresi Při elektrolyacuteze vznikaacute kromě vodiacuteku takeacute kysliacutek Kysliacutek je převaacutežně vypouštěn ze systeacutemu může byacutet použit při provozu palivoveacuteho člaacutenku zlepšuje totiž jeho vyacutekon Cena kysliacuteku je asi 4x menšiacute než cena vodiacuteku takže je potřeba zvaacutežit zda se vyplatiacute kysliacutek uklaacutedat při dalšiacutech naacutekladech Produkce vodiacuteku požaduje dostatečneacute množstviacute čisteacute vody Nečistoty obsaženeacute ve vodě mohou vyacuteznamně ovlivnit životnosti elektrolytickyacutech člaacutenků Voda je obvykle čištěna přiacutemo na miacutestě instalace čištěniacute vody může byacutet dalšiacutem naacutekladem při produkci vodiacuteku Při provozu elektrolyzeacuteru nastaacutevaacute kraacutetkodobeacute zvyšovaacuteniacute napětiacute způsobeneacute ustaveniacutem rovnovaacutehy obsahu vody v membraacuteně a oxidaciacute katalyzaacutetoru a dalšiacutech kovovyacutech komponentů Současneacute palivoveacute člaacutenky majiacute relativně kraacutetkou životnost kvůli degradaci membraacuteny Životnost elektrolyzeacuteru a palivoveacuteho člaacutenku je potřeba zohlednit při naacutevrhu systeacutemu Dalšiacutem velmi důležityacutem probleacutemem tyacutekajiacuteciacutem se vodiacuteku je bezpečnost Nespraacutevneacute zachaacutezeniacute a skladovaacuteniacute může způsobit určiteacute nebezpečiacute protože vodiacutek maacute niacutezkou teplotu vzniacuteceniacute a je velmi hořlavyacute Plamen hořiacuteciacuteho vodiacuteku je teacuteměř neviditelnyacute lehce tak může způsobit zraněniacute jelikož je těžce pozorovatelnyacute Vodiacutek je těkavyacute a neniacute toxickyacute Naacuteležitaacute ochrana a spraacutevneacute použitiacute systeacutemů využiacutevajiacuteciacute vodiacutek by mělo zaručit bezpečnost a spraacutevnou funkci

13

1Větrnaacute energie

Větrnaacute energie je energie pohybujiacuteciacute se vzduchoveacute masy Pohyb vzduchoveacute masy je způsoben rozdiacutelem teplot v atmosfeacuteře Slunečniacute zaacuteřeniacute ohřiacutevaacute vzduch kteryacute naacutesledně stoupaacute do vyššiacutech pater atmosfeacutery Tento pohyb vzduchu maacute za naacutesledek vytvořeniacute zoacuten nižšiacuteho tlaku vzduchu Tok vzduchu tzn viacutetr tyto tlakoveacute diference vyrovnaacutevaacute Větrnaacute energie je slunečniacute energie přeměněnaacute na kinetickou energii pohybujiacuteciacuteho se vzduchu Větrnaacute energie je globaacutelně nejrychleji rostouciacute sektor vyacuteroby energie z obnovitelnyacutech zdrojů Instalovanyacute vyacutekon v zemiacutech Evropskeacute unie dosaacutehl v roce 2012 100 GW polovina teacuteto kapacity byla instalovanaacute v posledniacutech 6 letech Obraacutezek 1 ukazuje vyacutevoj instalovaneacuteho vyacutekonu

Obr 1 Instalovanyacute vyacutekon větrnyacutech elektraacuteren v EU [14]

Větrneacute elektraacuterny tohoto vyacutekonu jsou schopny pokryacutet potřebu elektrickeacute energie pro 57 milioacutenů domaacutecnostiacute Ekvivalentniacute vyacutekon v uhelnyacutech elektraacuternaacutech by byl dosažen po spaacuteleniacute 72 milioacutenů tun uhliacute což představuje cca 750 000 vagoacutenůI přes tento rozvoj pouze vybraneacute lokality majiacute charakteristiky rychlosti a staacutelosti větru vhodneacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Hraniciacute ekonomickeacute naacutevratnosti investice je pro větrneacute elektraacuterny umiacutestěneacute ve vnitrozemiacute hodnota průměrneacute rychlosti větru 6 ms pro elektraacuterny umiacutestěneacute na moři je tato hodnota 7 ms vyššiacute hodnota je způsobena zejmeacutena zvyacutešenyacutemi investičniacutemi naacuteklady na instalaci tzv off-shore elektraacuteren Prvotniacutem krokem vybraacuteniacute vhodneacute lokality pro instalaci větrneacute elektraacuterny je průzkum satelitniacutech dat o průměrneacute rychlosti větru Zdrojem těchto dat je velkeacute množstviacute instituciacute na obr 2 je mapa vytvořena společnostiacute NASA přesněji satelitem GEOS-1 kteraacute zobrazuje ročniacute průměrnou rychlost ve vyacutešce 50 m Pro českeacute investory budou nejzajiacutemavějšiacute informace ČHMUacute kteryacute je schopen za poplatek dodat informace o směru a rychlosti větru v Českeacute republice Data jsou ovšem nepřiacutemaacute naměřeneacute hodnoty z meteorologickyacute stanic jsou aproximovanaacute pomociacute

0

25

50

75

100

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011

Vyacuteko

n [G

W]

Rok

14

matematickyacutech modelů Tyto mapoveacute podklady sloužiacute k přibližneacutemu určeniacute vhodneacute lokality Konečneacute rozhodnutiacute o instalaci by mělo byacutet založeno na dlouhodobeacutem měřeniacute na konkreacutetniacutem miacutestě plaacutenovaneacute vyacutestavby větrneacute elektraacuterny

Obr 2 Průměrnaacute rychlost větru ve vyacutešce 50 m [15]

Miacutesta s největšiacutem potenciaacutelem pro využitiacute větrneacute energie jsou nad oceaacuteny naopak miacutesta s jednou z nejhoršiacutech využitelnostiacute větrneacute energie jsou centraacutelniacute regiony velkyacutech světadiacutelů Nejvhodnějšiacute lokality pro využiacutevaacuteniacute větrneacute energie jsou pobřežniacute regiony Pobřežniacute regiony jsou znaacutemeacute silnyacutem větrem a velkyacutem poměrem světoveacute populace tzn odběratelů elektrickeacute energie Větrnaacute energie trpiacute stejnyacutem neduhem jako většina zdrojů obnovitelneacute energie a to nestaacutelostiacute a značnyacutemi sezoacutenniacutemi rozdiacutely Je velmi složiteacute přesně předpovědět energetickyacute vyacutestup z větrnyacutech zdrojů Rozvodnaacute siacuteť je schopna tyto sezonniacute vyacutekyvy absorbovat ale pouze v přiacutepadě že větrnaacute energie tvořiacute meacuteně než 20 celkoveacute kapacity siacutetě Diacuteky nestaacutelosti větrneacute energie větrneacute turbiacuteny pracujiacute s niacutezkyacutem kapacitniacutem faktorem Podiacutel větrneacute energie může byacutet vyacuterazně zvyacutešen použitiacutem skladovaciacutech technologiiacute Skladovaciacutech technologiiacute je celaacute řada pro svou praacuteci jsem si vybral jako nejslibnějšiacute technologii použitiacute vodiacuteku jako energetickeacuteho nositele Využitiacute vodiacuteku k vyacuterobě elektřiny je kontrolovatelneacute a dokaacuteže pokryacutet energetickeacute vyacutekyvy v době kdy větrneacute elektraacuterny do siacutetě elektrickou energii nedodaacutevajiacute Pro zajištěniacute spolehlivosti energetickeacuteho zdroje a optimalizaci naacutekladů na instalaci je potřeba najiacutet vhodnyacute vztah mezi jmenovityacutem vyacutekonem větrneacute elektraacuterny a vyacutekonem vodiacutekoveacuteho systeacutemu Vzdušneacute prouděniacute je proměnneacute nejenom v kraacutetkeacutem časoveacutem horizontu ale zaacuteroveň se měniacute i v raacutemci ročniacuteho obdobiacute Tato proměnnost značně ovlivňuje vyacutekonnost celeacuteho systeacutemu Větrnaacute energie se měniacute takeacute teacuteměř z hodiny na hodinu proto je potřeba vytvořit strategii pro pracovniacute režimy elektrolyzeacuteru tak aby nedochaacutezelo k časteacutemu vypiacutenaacuteniacute a zapiacutenaacuteniacute systeacutemu v zaacutevislosti na variaci větrneacute energie Přesnaacute předpověď vyacutevoje rychlosti větru zahrnuta do plaacutenovaciacutech a provozniacutech naacutestrojů systeacutemu může systeacutem značně vylepšit

15

Vyacuteroba vodiacuteku pomociacute větrneacute energie se děje pomociacute elektrolyacutezy vody tento vyacuterobniacute postup je vysvětlen v kapitole ldquoelektrolyacutezardquo Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutem rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute Pomocnaacute energie je dodaacutevanaacute ze stabilniacuteho regulovatelneacuteho zdroje V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Kombinace zdroje jako je větrnaacute elektraacuterna s elektrolyzeacutery může miacutet za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti kvůli ztraacutetaacutem způsobenyacutech konverziacute elektrickeacute energie ze stejnosměrneacute na střiacutedavou a naopak Jak usměrňovače tak invertory spotřebujiacute čaacutest energie Tyto zařiacutezeniacute mohou v ideaacutelniacutech podmiacutenkaacutech pracovat s uacutečinnostiacute kolem 93 - 95 bohužel velmi proměnou energii ziacuteskaacutevanou s větru nemůžeme považovat za ideaacutelniacute podmiacutenky tomu odpoviacutedaacute i znatelně menšiacute uacutečinnost Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute

16

11Větrneacute turbiacuteny

111Technologie

Nejčastěji použiacutevanaacute větrnaacute turbiacutena je tzv vztlakovyacute třiacutelistyacute rotor s vodorovnou osou otaacutečeniacute Pracuje na principu leteckeacute vrtule kdy viacutetr obteacutekaacute lopatky Lopatkyjsou asymetricky tvarovaacuteny proto na každeacute straně lopatky maacute obteacutekajiacuteciacute vzduch jinou

Obr 3 Zjednodušeneacute scheacutema větrneacute elektraacuterny [14]

rychlost to vytvaacuteřiacute tlakovou diferenci ktereacute maacute v konečneacutem důsledku za naacutesledek vytvořeniacute vztlakovyacutech sil ktereacute rotor roztaacutečiacute Hnaciacute uacutestrojiacute je obvykle tvořeno niacutezko-rychlostniacute hřiacutedeliacute kteraacute připojuje rotor k převodovce Převodovka je 2 až 3 stupňovaacute tzv rychlost zvyšujiacuteciacute Převodovka je připojena vysoko-rychlostniacute hřiacutedeliacute ke generaacutetoru Generaacutetory jsou typicky asynchronniacute indukčniacute a pracujiacute v rozmeziacute 550 - 690 V Některeacute turbiacuteny mohou byacutet vybaveny přiacutedavnyacutem generaacutetorem zlepšujiacuteciacutem produkci při niacutezkeacute rychlosti větru Přiacutedavnyacute generaacutetor může byacutet oddělenyacute nebo integrovanyacute v hlavniacutem generaacutetoru Součaacutestiacute větrnyacutech turbiacuten je i transformaacutetor kteryacute pomociacute elektromagnetickeacute indukce zvyšuje napětiacute proudu vznikajiacuteciacuteho ve větrneacute elektraacuterně Sběrnyacute systeacutem na miacutestě větrneacute elektraacuterny obvykle operuje se středniacutem napětiacute cca 25 - 35 kV Obraacutezek 3 zobrazuje zaacutekladniacute čaacutesti typickeacute větrneacute elektraacuterny Typickaacute větrnaacute elektraacuterna je vybavena regulačniacutem systeacutemem naklaacutepěniacute Pomociacute tohoto zařiacutezeniacute jsou uacutehly naacuteběhu listu rotoru staacutele regulovaacuteny tak aby byl rotor optimaacutelně přizpůsoben aktuaacutelniacutem větrnyacutem podmiacutenkaacutem Při vyššiacutech rychlostech větru regulačniacute systeacutemy zajišťujiacute aby vyacutekon elektraacuterny byl co možnaacute nejbliacuteže jmenoviteacuteho vyacutekonu Při nižšiacutech rychlostech optimalizujiacute předaacutevaacuteniacute vyacutekonu nastaveniacutem optimaacutelniacuteho počtu otaacuteček a optimaacutelniacuteho uacutehlu nastaveniacute rotorů Veškereacute funkce elektraacuterny jsou kontrolovaacuteny a řiacutezeny řiacutediacuteciacute jednotkou kteraacute je umiacutestěna

17

většinou ve věži Změny uacutehlu nastaveniacute listů rotoru jsou aktivovaacuteny pomociacute mžikoveacuteho ramene hydraulickyacutem systeacutemem kteryacute umožňuje listům rotovat axiaacutelně Elektricky pohaacuteněneacute převody se starajiacute o nataacutečeniacute celeacute gondoly ve směru větru Pohyb je uskutečňovaacuten pomociacute pastorku v gondole zasahujiacuteciacuteho do zubů otočneacuteho věnce kteryacute je upevněn na vrchniacute čaacutesti věže [2] Ložiskovyacute systeacutem směrovaacuteniacute větru je systeacutem kluzneacuteho ložiska se zabudovanou frikčniacute a blokujiacuteciacute funkciacute Listy rotoru jsou vyrobeny z epoxidoveacute pryskyřice vyztuženeacute skelnyacutem vlaacuteknem Každyacute list rotoru se sklaacutedaacute ze dvou polovin ktereacute jsou spojeny s nosnou traverzou Zvlaacuteštniacute oceloveacute vložky k ukotveniacute spojujiacute listy rotoru s ložiskem Brzděniacute rotoru probiacutehaacute pomociacute nastaveniacute listů Parkovaciacute brzda se nachaacuteziacute na vysokorychlostniacutem hřiacutedeli Gondola chraacuteniacute vnitřniacute komponenty elektraacuterny před povětrnostniacutemi podmiacutenkami a zviacuteřectvem Gondola je nejčastěji vyrobena z plastu[1]

Obr 4 Vztah rychlosti větru a vyacutekonu větrneacute elektraacuterny [8]

Jak je ukaacutezaacuteno na obraacutezku 4 vyacutekon větrneacute elektraacuterny je funkciacute rychlosti větru Vztah mezi vyacutekonem a rychlostiacute větru je definovaacuten pomociacute tzv vyacutekonoveacute charakteristiky kteraacute je unikaacutetniacute pro každou turbiacutenu v některyacutech přiacutepadech se může lišit i v zaacutevislosti na umiacutestěniacute elektraacuterny Pokud se budeme snažit generalizovat tak většina elektraacuteren začiacutenaacute produkovat vyacutekon při rychlosti větru okolo 2 ms jmenoviteacuteho vyacutekonu dosaacutehne okolo 13 ms a k odstaveniacute kolem 25 mskdy je nebezpečiacute poškozeniacute mechanickyacutech čaacutestiacute elektraacuterny a proto dojdek zabrzděniacute rotoru Proměnnost větru maacute za naacutesledek neustaacutelou změnu vyacutekonu Větrnaacute elektraacuterna umiacutestěna v lokaci s dobrou charakteristikou větru je schopna v ročniacutem průměru produkovat maximaacutelně 35 sveacute možneacute kapacity

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek

121Všeobecně

Vzhledem k tomu že větrneacute podmiacutenky jsou specifickeacute pro danou lokalitu a jsou vyacuterazně ovlivněny topologiiacute tereacutenu i překaacutežkami v okoliacute instalovaneacute větrneacute elektraacuterny je nutneacute ziacuteskat co nejpřesnějšiacute kvantitativniacute popis těchto podmiacutenek Elektrickeacute energie produkovanaacute danou větrnou elektraacuternou se vyacuterazně měniacute s odchylkami rychlosti větru od jejiacute středniacute hodnoty Jestliže 50 časoveacuteho uacuteseku

18

je rychlost větru 12 ms a 50 je rychlost 0 ms větrnaacute elektraacuterna vyrobiacute podstatně viacutece energie energie než když 100 tohoto času je rychlost větru 6 ms [3] Tato skutečnost vyplyacutevaacute ze zaacutevislosti vyacutekonu větrneacute elektraacuterny na třetiacute mocnině rychlosti větru [4] Pro vyhodnoceniacute očekaacutevaneacute produkce elektrickeacute energie v daneacute lokalitě je nutnaacute znalost distribuce rychlosti větru

122Počiacutetačoveacute modelovaacuteniacute

V širšiacutem měřiacutetku je možno modelovat průběh rychlosti větru počiacutetačovyacutem modelovaacuteniacutem Speciaacutelniacute vyacutepočetniacute algoritmy dokaacutežiacute popsat vliv různyacutech parametrů na rychlost větru jako je nadmořskaacute vyacuteška topografie a povrch tereacutenu Tyto modely musiacute použiacutevat vstupniacute data o charakteru větru ze znaacutemeacute lokace Roli těchto znaacutemyacutech lokaciacute zastupujiacute předevšiacutem meteorologickeacute stanice ktereacute nabiacuteziacute přesneacute měřeniacute směru a rychlosti větru pro daneacute miacutesto

Obr 5 Průměrnaacute rychlost větru v 10 m [16]

Tyto viacutetr mapujiacuteciacute programy dle znaacutemyacutech hodnot odvodiacute hodnoty rychlostiacute větru pro specifickou vyacutešku a miacutesto na zaacutekladě těchto hodnot se vytvaacuteřiacute tzv atlas větru Atlasy větru jsou vydaacutevaacuteny ve velkeacute množstviacute měřiacutetek od globaacutelniacutech map po mapy lokaacutelniacute U naacutes je zdrojem těchto map předevšiacutem ČHMUacute kteryacute tyto mapy poskytuje potencionaacutelniacutem investorům za uacuteplatu Větrneacute mapy reprezentujiacute nejlepšiacute

19

odhad větrnyacutech zdrojů na velkeacutem uacutezemiacute Nemohou však zastoupit měřeniacute větru přiacutemo na miacutestě anemometrem Sloužiacute k vybraacuteniacute lokality s větrnyacutem potenciaacutelem Dalšiacute vyhodnoceniacute vyacutenosnosti větrneacute elektraacuterny probiacutehaacute již na samotneacutem miacutestě budouciacute instalace a to vyhodnoceniacutem lokaacutelniacutech podmiacutenek ovlivňujiacuteciacutech rychlost prouděniacute větru

123Měřeniacute v miacutestě umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny

Měřeniacute rychlosti se provaacutediacute anemometrem umiacutestěnyacutem v předpoklaacutedaneacute vyacutešce rotoru aby byly vyacutesledky co možnaacute nejviacutece reprezentativniacute Samotneacute měřeniacute se obvykle provaacutediacute v průběhu jednoho roku Tato informace se uvaacutediacute nejčastěji formou sloupcoveacuteho diagramu např obr 6 kteryacute udaacutevaacute procentuaacutelniacute vyacuteskyt rychlosti větru

Obr 6 Četnost vyacuteskytu rychlostiacute větru proloženyacutech funkciacute Weibull

ve třiacutedaacutech o šiacuteřce 1 ms Ze sloupcoveacuteho grafu se vyhodnocuje středniacute rychlost větru zpravidla během jednoho roku většinou tzv Weibullovyacutem rozděleniacutem (fialovaacute křivka na obraacutezku 6) Středniacute rychlost je daacutele použiacutevaacutena při vyacutepočtech vyacutekonu Weibullova funkce je pravděpodobnostniacute dvouparametrovaacute funkce kteraacute maacute tvar

p(v) = kA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ sdot

vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdoteminus vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

kde p(v) pravděpodobnost vyacuteskytu rychlosti v v rychlost větru [ms] k tvarovyacute parametr [-] A parametr měřiacutetka [ms]

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Čet

nost

vyacutes

kytu

[]

Rychlost větru [ms]

20

Rychlost větru je nejnižšiacute na zemskeacutem povrchu a zvyšuje se se stoupajiacuteciacute vyacuteškou tento jev je spojen s vyacuteskytem mezniacute vrstvy při povrchu Vyacutekon větrneacute elektraacuterny je

Obr 7 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

v podstatě uacuteměrnyacute třetiacute mocnině středniacute rychlosti větru Hlavniacute snahou je tedy umiacutestit rotor co možnaacute nejvyacuteše Tento jev je ilustrovaacuten uvedenyacutem vertikaacutelniacutem rychlostniacutem profilem na obraacutezku 7 Z uvedeneacuteho grafu je patrneacute zvyacutešeniacute rychlosti až do vyacutešky 40 - 50 m Kvantitativně tento jev shrnuje obecnaacute tabulka 1 v přiacutepadě je uvažovaacuten nominaacutelniacute vyacutekon při vyacutešce osy rotoru 10 m potom je růst vyacutekonu s rostouciacute vyacuteškou naacutesledujiacuteciacute

Vyacuteška osy rotoru

Zvyacutešeniacute vyacutekonu

10 m 0

19 m 41

27 m 75

36 m 100

46 m 125

Tab 1 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vyacutešk

a [m

]

Rychlost větru[ms]

21

124 Miacutestniacute faktory ovlivňujiacuteciacute rychlost větru

Rychlost větrneacuteho prouděniacute neovlivňujiacute pouze globaacutelniacute faktory jako je topografie geografickeacute umiacutestěniacute a dalšiacute faktory širšiacuteho charakteru Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru se měniacute takeacute s drsnostiacute povrchu turbulenciacute za překaacutežkami Zvyacutešenaacute drsnost povrchu v protisměru převlaacutedajiacuteciacuteho větru může zvyacutešit jeho rychlost v ose rotoru s naacuteslednyacutem zvyacutešeniacutem vyacutekonu [2] Pro kvantitativniacute vyhodnoceniacute vlivu drsnosti povrchu na rychlost větru se použiacutevaacute vztah mezi vyacuteškami osy rotoru a odpoviacutedajiacuteciacutemi rychlostmi větru a vypadaacute takto

kde v rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce osy rotoru h vref rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce rotoru href α exponent jehož hodnota vyjadřuje charakter drsnosti

Pro danou lokalitu je potřebneacute naleacutezt hodnotu exponentu α z vyacutesledků měřeniacute rychlosti větru Typickeacute obecneacute hodnoty exponentů pro větrnou elektraacuternu s referenčniacute vyacuteškou 35 m jsou v tabulce 2

Drsnost povrchu α [ - ]

Faktor zvyacutešeniacute [ - ]

Velmi niacutezkaacute (klidnaacute hladina moře)

010 145

Niacutezkaacute (louky pole)

016 182

Průměrnaacute (les křoviny)

020 212

Vyššiacute (vesnice roztroušeneacute domy)

028 286

Vysokaacute (město s vysokyacutemi budovami)

040 450

Tab 2 Hodnoty exponentu α [4]

Dalšiacutem důležityacutem faktorem ovlivňujiacuteciacutem rychlost větru a chod větrneacute elektraacuterny je turbulence Turbulence je charakterizovanaacute rychlyacutemi změnami rychlosti větru a je měřena standardniacute odchylkou σ od středniacute hodnoty okamžiteacute rychlosti větru zaznamenanyacutech každeacute 2 sekundy po dobu 10 minut Intenzita turbulence je definovanaacute ke středniacute hodnotě rychlosti větru vstr je často definovanaacute jako

v = vref sdothhref

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

α

22

Intenzitu turbulence v miacutestě zamyacutešleneacute instalace větrneacute elektraacuterny je potřebneacute porovnat se standarty mezinaacuterodniacute elektrotechnickeacute komise IEC Tyto standarty pomaacutehajiacute při určeniacute zda turbulence v daneacutem miacutestě nejsou mimo předepsaneacute limity Pokud hodnoty intenzity turbulenciacute přesahujiacute limity způsobily by zkraacuteceniacute životnosti větrneacute elektraacuterny hlavně vlivem uacutenavy konstrukčniacutech materiaacutelů IEC standarty použiacutevajiacute 2 hodnoty

vysokyacute horniacute limit VHL = 012middotvstr+095 niacutezkyacute horniacute limit NHL = 012middotvstr+060

Je-li intenzita turbulence menšiacute než niacutezkyacute horniacute limit je lokalita vhodnaacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Pokud je intenzita většiacute než vysokyacute horniacute limit vyacutestavba neniacute vhodnaacute Turbulence děliacuteme podle druhu vzniku na mechanickou termickou a dynamickou Mechanickaacute turbulence vznikaacute třeniacutem proudiacuteciacuteho vzduchu o nerovnyacute zemskyacute povrch Intenzita mechanickeacute turbulence je zaacutevislaacute na členitosti tereacutenu (stromy les budovy) a na rychlosti větru Zvlaacuteštniacutem druhem mechanickeacute turbulence je turbulence orografickaacute Orografickaacute turbulence vznikaacute důsledkem prouděniacute vzduchu přes horskeacute překaacutežky Tato turbulence vznikaacute i při stabilniacutem zvrstveniacute vzduchu v důsledku vyacuterazneacute deformace vzdušneacuteho proudu V zaacutevětřiacute horskyacutech hřebenů vznikajiacute vertikaacutelniacute pohyby o rychlosti plusmn 10 ms Jeseniacuteky jsou u pilotů kluzaacuteku vyhledaacutevaacuteny praacutevě kvůli časteacutemu vyacuteskytu orografickeacute turbulence kteraacute jim dovoluje provaacutedět přelety v řaacutedech stovek kilometrů Termickaacute turbulence vznikaacute v důsledku labilniacuteho zvrstveniacute atmosfeacutery při prouděniacute studeneacuteho vzduchu nad teplejšiacute povrch nebo v důsledku nerovnoměrneacuteho ohřevu zemskeacuteho povrchu Dynamickaacute turbulence vznikaacute v oblastech velkeacuteho střihu větru Nejčastěji je spojena s oblastmi proudoveacuteho toku

I = σvstr

23

2Elektrolyacuteza

Viacutece než 400 průmyslovyacutech vodniacutech elektrolyzeacuterů bylo v provozu na začaacutetku devatenaacutecteacuteho stoletiacute V roce 1939 byla vybudovaacutena prvniacute velkaacute tovaacuterna v Lonze využiacutevajiacuteciacute vodniacute elektrolyacutezu kteraacute produkovala 10000 Nm3 H2 hod Převaacutežnaacute většina světově produkovaneacuteho vodiacuteku je spotřebovaacutena v petrochemickeacutem průmyslu a při vyacuterobě amoniaku a methanolu Elektrolytickyacute vodiacutek je využiacutevaacuten v menšiacutech aplikaciacutech zvlaacuteště tam kde je požadovaacutena vysokaacute čistota vodiacuteku V potravinaacuteřskeacutem průmyslu je vodiacutek použiacutevaacuten pro zvyacutešeniacute stupně nasyceniacute u tuků a olejů zvyšuje tak jejich bod taacuteniacute a odolnost vůči oxidaci V elektronickeacutem průmyslu je použiacutevaacuten jako redukčniacute činidlo v epitaxaacutelniacutem růstu polysilikonu a ve vyacuterobě integrovanyacutech obvodů V jaderneacutem průmyslu vodiacutek zastupuje roli čističe kysliacuteku kdy odstraňuje kysliacutekoveacute stopy ktereacute mohou způsobit korozniacute poškozeniacute materiaacutelu Maleacute množstviacute vodiacuteku je použiacutevaacuteno takeacute ve farmaceutickeacutem sklaacuteřskeacutem a plasma průmyslu Diacuteky sveacute dobreacute tepelneacute vodivosti je použiacutevaacuten jako chladiacuteciacute meacutedium v elektrickyacutech generaacutetorech elektraacuteren Proces elektrolyacutezy je elektrochemickyacute rozpad molekuly vody na jednotliveacute složky jmenovitě vodiacutek a kysliacutek [7] Podle druhu elektrolytu použiacutevaneacuteho pro přenos elektrickeacuteho proudu v procesu děliacuteme elektrolyacutezu vody na 4 zaacutekladniacute typy Na začaacutetku 19 stoletiacute použiacutevaly prvniacute zařiacutezeniacute na elektrolyacutezu jako elektrolyt kyselinu později bylo od teacuteto metody odstoupeno převaacutežně pro probleacutemy s koroziacute Elektrolyzeacutery použiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolytickou membraacutenu jsou druhyacutem typem Použitaacute membraacutena vodiacute protony a nepropouštiacute kysliacutek Tato technologie je relativně novaacute takže v současneacute době neexistujiacute velkeacute aplikace tohoto druhu elektrolyacutezy Dalšiacutem typem elektrolyacutezy je tzv parniacute elektrolyacuteza probiacutehajiacuteciacute při vysokeacute teplotě použiacutevajiacuteciacute keramickyacute elektrolyt vodiacuteciacute kysliacutekovyacute ion tento způsob maacute potenciaacutel pro vysokou uacutečinnost v současneacute době prokaacutezanou pouze laboratorně V dnešniacute době je nejrozšiacuteřenějšiacute elektrolyacuteza použiacutevajiacuteciacute alkalickyacute elektrolyt nejčastěji hydroxid draselnyacute

21Princip elektrolyacutezy

Při vedeniacute stejnosměrneacuteho proudu mezi dvěma elektrodami ve vodě vznikaacute vodiacutek kysliacutek a teplo podle naacutesledujiacuteciacute rovnice

Čistaacute voda je ovšem špatně vodivaacute proto se musiacute byacutet přidaacuten vodivyacute elektrolyt kteryacute zajistiacute technicky akceptovatelnou uacuteroveň potřebneacuteho napětiacute Elektrickeacute napětiacute přivedeneacute na elektrody musiacute přesaacutehnout minimaacutelniacute hodnotu tak aby reakce proběhla Hodnota tohoto napětiacute je určena Gibbsovou entalpiiacute rozkladu vody a je funkciacute tlaku a teploty Za standardniacutech podmiacutenek (teplota 25 degC tlak 1 bar) je to 123 V Teoretickaacute energie potřebnaacute pro průběh elektrolyacutezy se vyjadřuje pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vyacuterazu

kde ΔH změna entalpie reakce ΔG změna Gibbsovy volneacute energie T teplota a ΔS změna entropie Změna entalpie při standardniacutech podmiacutenkaacutech je 2858 kJmol Změna Gibbsovy volneacute energie je při standardniacutech podmiacutenkaacutech 2372 kJmol To znamenaacute

H2O⎯rarr⎯ H2 +12O2

ΔH = ΔG +T sdot ΔS

24

že 2372 kJ mol z 2858 kJmol musiacute byacutet dodaacuteno elektrickyacutem proudem a zbylaacute čaacutest může byacutet dodaacutena elektrickyacutem proudem nebo teplem V reaacutelnyacutech podmiacutenkaacutech pro niacutezkoteplotniacute elektrolyacutezy je však veškeraacute potřebnaacute energie dodaacutena elektrickyacutem proudem [8] Dalšiacute termodynamickou charakteristikou elektrolyacutezy je reverzibilniacute napětiacute Vyjadřuje minimaacutelniacute elektrickyacute potenciaacutel potřebnyacute k elektrolytickeacute reakci při standardniacutech podmiacutenkaacutech se rovnaacute 123 V

kde 2 je počet elektronů potřebnyacutech k rozděleniacute molekuly vody a F je Faradayova konstanta Termoneutraacutelniacute napětiacute je napětiacute při ktereacutem by pracoval dokonale efektivniacute člaacutenek v přiacutepadě že veškereacute potřebnaacute energie je dodaacutevaacutena elektrickyacutem proudemPro standardniacute podmiacutenky se rovnaacute 148 V a je vyjaacutedřeno naacutesledujiacuteciacutem vztahem

Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem menšiacutem než je napětiacute reverzibilniacute nedojde k rozkladu molekuly vody Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem v rozmeziacute mezi reverzibilniacutem a termoneutraacutelniacutem napětiacute elektrolytickyacute proces je endotermickyacute Je potřeba dodat teplo pro rozpad molekuly vody Napětiacute většiacute než termoneutraacutelniacute napětiacute maacute za naacutesledek že proces je exotermickyacute a veškeraacute energie je dodaacutena z elektrickeacuteho proudu Přidaneacute teplo je potřeba odstranit Reversibilniacute i termoneutraacutelniacute napětiacute jsou funkcemi teploty tlaku a složeniacute elektrolytu [8] Zaacutekladniacutemi čaacutestmi člaacutenku na vodniacute elektrolyacutezu je katoda anoda a oddělovač Katoda musiacute byacutet odolnaacute korozi umiacutestěnaacute v elektrolytu s redukčniacutem potenciaacutelem Katoda musiacute byacutet dobryacute vodič a miacutet strukturaacutelniacute celistvost Elektrody jsou od sebe odděleny membraacutenou nepropouštějiacuteciacute plyny

22Typy elektrolyacutezy

221Alkalickaacute elektrolyacuteza

Alkalickaacute elektrolyacuteza je v současnosti komerčně nejpoužiacutevanějšiacute elektrolyacutezou Tři největšiacute elektrolyzeacutery byly instalovaacuteny ve 40 letech na dodaacutevky vodiacuteku do zařiacutezeniacute na vyacuterobu amoniaku a naacuteslednou vyacuterobu hnojiva Tyto elektrolyzeacutery jsou umiacutestěny v Indii (De Nora) Norsku (Norsk-Hydro) a Egyptě (Demag) Obraacutezek 8 scheacutematicky zobrazuje alkalickyacute elektrolytickyacute člaacutenek

Erev =ΔG2 sdotF

Etn =ΔH2 sdotF

25

Obr 8 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [8]

V alkalickeacutem člaacutenku probiacutehaacute naacutesledujiacuteciacute zjednodušenaacute reakce

V elektrolytu 2H2O⎯rarr⎯ 2H + + 2OH minus

Na katodě 2H + + 2eminus ⎯rarr⎯ H2

Na anodě 2OH minus ⎯rarr⎯ 1

2+ H2O + 2eminus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ H2 +O2

Alkalickaacute elektrolyacuteza probiacutehaacute při teplotě kolem 80degC a při tlaku v rozmeziacute 1 až 30 barů Pro průběh elektrolyacutezy je zapotřebiacute zajistit plynulyacute pohyb hydroxidovyacutech ionů (OH-) z katody na anodu ale zabraacutenit smiacutechaacuteniacute produkovanyacutech plynů Tyto požadavky splňuje tzv separaacutetor (membraacutena nebo clona) Separaacutetorje umiacutestěn mezi elektrody a diacuteky svyacutem charakteristickyacutem vlastnostem propouštiacute hydroxidoveacute iony zatiacutemco zabraňuje v pronikaacuteniacute jednotlivyacutech plynů Voda je obvykle přidaacutevaacutena do cirkulujiacuteciacuteho elektrolytu je to takeacute způsob jak odstranit odpadoveacute teplo z reakce a kontrolovat teplotu procesu Tradičniacute alkalickeacute elektrolyzeacutery jsou konstruovaacuteny pomociacute tzv zero gap design (naacutevrh bez mezery) kde anoda i katoda jsou umiacutestěny do bezprostředniacute bliacutezkosti separaacutetoru Umiacutestěniacute obou elektrod bliacutezko sebe maacute za naacutesledek sniacuteženiacute ohmickyacutech ztraacutet v elektrolytu Pokud se při elektrolyacuteze vytvaacuteřiacute bublinky plynů jsou transportovaacuteny do zadniacute strany elektrod skrze mezery v perforovanyacutech elektrodaacutech a tiacutem paacutedem nebudou blokovat proud ionů mezi elektrodami Vodiacutek je ziacuteskaacutevaacuten na katodaacutech jeho čistota je až 98 objemovyacutech kde jedinyacutemi nečistotami jsou kysliacutek a voda Vodiacutek může byacutet daacutele čištěn až na koncentraci teacuteměř 100 a to odstraněniacutem kysliacuteku v katalytickeacutem deoxideacuteru a vody v sušičce Těmito procedurami ovšem ztratiacuteme 5-10 celkoveacute produkce vodiacuteku Je potřeba si tuto ztraacutetu uvědomit při požadavciacutech na 100 čistyacute vodiacutek

26

Na obraacutezku 9 je zjednodušenyacute diagram průmysloveacuteho uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy Vodiacutek a kysliacutek opouštějiacute proces kde dochaacuteziacute k elektrochemickeacute disociaci vody odděleně přes naacutedoby HV a OV kde jsou odstraňovaacuteny zbytky elektrolytickeacuteho roztoku Elektrolyt a plyny jsou daacutele ochlazeny Z naacutedob pokračujiacute přes filtry HF A OF k odstraněniacute stop po elektrolytu Kysliacutek je uložen nebo spotřebovaacuten v dalšiacutech aplikaciacutech Vodiacutek může byacutet takeacute použiacutet ihned po průchodu filtry nicmeacuteně na obraacutezku 9 prochaacuteziacute dalšiacute čistiacuteciacute sekciacute Čistiacuteciacute sekce se sklaacutedaacute z deoxideacuteru kde dochaacuteziacute ke spalovaacuteniacute kysliacuteku obsaženeacuteho ve vodiacuteku na vodniacute paacuteru kteraacute je daacutele odstraněna v sušičce

Obr 9 Průmysloveacute uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy [7]

222Elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute membraacutenu

Kyseleacute roztoky nejsou v dnešniacute době přiacuteliš použiacutevaacuteny v průmysloveacute elektrolyacuteze vody ale i přesto nabiacutezejiacute alternativu k tekutyacutem alkalickyacutem elektrolytům Polymerniacute membraacuteny se vyznačujiacute velmi dobrou vodivostiacute protonů a špatnou vodivostiacute elektronů Polymerniacute membraacutena tak umožňuje tok protonů mezi elektrodami a zaacuteroveň zabraňuje stejneacutemu pohybu elektronů Elektrony musiacute použiacutet vnějšiacute obvod pro přechod mezi elektrodamiPro kyselyacute elektrolyt vypadaacute rovnice elektrolyacutezy naacutesledovně

Katoda 2H 3O + 2eminus ⎯rarr⎯ 2H2O + H2

Anoda 3H2O⎯rarr⎯ 2H 3O+ +O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

27

Obr 10 Scheacutema elektrolyacutezy s polymerniacute membraacutenou

Polymerniacute membraacutena zastupuje roli jak separaacutetoru tak elektrolytu Většina materiaacutelu membraacuten je založena na sulfonovanyacutech fluoropolymerech k vedeniacute protonů Nejznaacutemějšiacute materiaacutelem membraacuten je tzv Nafionreg kteryacute byl vyvinut společnostiacute Dupont Sulfonoveacute kyseliny jsou vysoce hydrofilniacute (přitahuje vodu) na druhou stranu fluropolymer je hydrofobniacute (odpuzuje vodu) Uvnitř hydratovanyacutech oblastiacute se H+ iony (protony) mohou relativně volně pohybovat tedy vytvaacuteřet zřeďovaneacute kyseliny H+ iony se mohou pohybovat na kraacutetkeacute vzdaacutelenosti i mimo hydratovaneacute oblasti pomociacute podporujiacuteciacutech dlouhyacutech molekulovyacutech struktur Tento pohyb je mnohem obtiacutežnějšiacute Hydratovanaacute membraacutena je tedy jeden z důležityacutech faktorů usnadňujiacuteciacute pohyb protonů a tiacutem paacutedem celkovou miacuteru elektrolyacutezy Horniacute limit teploty pro vyacuteměnu elektronů membraacutenou je okolo 125-150 degC ale většina elektrolyzeacuterů pracuje v režimu s tekutou vodou při teplotě cca 80 degC Vyššiacute pracovniacute teploty ktereacute by zlepšily kinematiku reakce můžeme dosaacutehnout diacuteky novyacutem polymerniacutem materiaacutelům nebo keramickyacutem materiaacutelům vodiacuteciacutem protony Vyššiacute teplota ovšem maacute za naacutesledek generaci většiacuteho množstviacute tepla Teplo musiacute byacutet odstraněno pomociacute cirkulace dostatečneacuteho množstviacute vody podeacutel anodoveacute elektrody člaacutenku Elektrody jsou většinou tvořeny tenkou vrstvou platinoveacuteho katalyzaacutetoru připevněneacuteho k membraacuteně Platina je považovaacutena za nejlepšiacute katalyzaacutetor jak pro anodu tak katodu diacuteky svyacutem termodynamickyacutem a kinetickyacutem vlastnostem Platina je nejnaacutekladnějšiacute čaacutesti elektrolytickyacutech člaacutenků i přes to že se množstviacute použiacutevaneacute platiny značně sniacutežilo [9] Elektrolyacuteza s pevnou membraacutenou pracuje s vyššiacute proudovou hustotou než alkalickaacute elektrolyacuteza I přes vyššiacute ceny materiaacutelů je pro ně potřebnaacute menšiacute plocha člaacutenků pro produkci stejneacuteho množstviacute vodiacuteku než pro alkalickeacute člaacutenky

28

223Parniacute elektrolyacuteza

Parniacute elektrolyacuteza probiacutehaacute za mnohem vyššiacute teploty než předešleacute typy typicky je to kolem 900-1000 degC a voda je do procesu přivaacuteděna jako paacutera Elektrolyt je vyroben z pevneacuteho keramickeacuteho materiaacutelu kteryacute vede kysliacutekoveacute iony Vysokaacute provozniacute teplota je nezbytnaacute pro keramickyacute materiaacutel aby byl dostatečně iontově vodivyacute Parniacute elektrolyzeacutery dodaacutevajiacute velkou čaacutest potřebneacute energie na elektrolyacutezu pomociacute tepla z paacutery miacutesto elektřiny [9] Principiaacutelně funguje stejně jako elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolyt Pevnyacute keramickyacute elektrolyt dovoluje kysliacutekovyacutem ionům prochaacutezet materiaacutelem od katody k anodě zatiacutemco zabraňuje pohybu elektronů ktereacute se přemisťujiacute externiacutem obvodem Keramickyacute elektrolyt takeacute zabraňuje promiacutechaacutevaacuteniacute vznikajiacuteciacutech plynů Na obraacutezku 11 je scheacutematicky zobrazen princip parniacute elektrolyacutezy

Obr 11 Princip parniacute elektrolyacutezy [9]

Zaacutekladniacute reakce probiacutehaacute v elektrodaacutech a odlišuje se od předešlyacutech způsobů elektrolyacutezy Celkovaacute reakce rozpadu vody zůstaacutevaacute nezměněna

Katoda H2O + 2eminus ⎯rarr⎯ H2 +O2minus

Anoda O2minus ⎯rarr⎯ 1

2O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

Vodniacute paacutera je je přivaacuteděna do komory u anody kde reaguje s elektrony a rozpadne se na vodiacutekoveacute a kysliacutekoveacute ionty Po přechodu k anodě kysliacutekoveacute ionty uvolňujiacute elektrony a tak vytvořiacute plynnyacute kysliacutek

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů

Za uacutečelem ziacuteskaacuteniacute požadovaneacuteho množstviacute vodiacuteku jsou elektrolyzeacutery tvořeny většiacutem počtem elektrolytickyacutech člaacutenků nebo paacuterů elektrod ktereacute mohou byacutet spojeny seacuteriově nebo paralelně Existujiacute dva druhy uspořaacutedaacuteniacute člaacutenků a to monopolaacuterniacute (naacutedržovyacute) a bipolaacuterniacute

29

V monopolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute je každaacute elektroda spojena a je napaacutejena externiacutem proudem Elektrody jsou jedno-polaacuterniacute každaacute je katoda nebo anoda Člaacutenky jsou spojeny paralelně tudiacutež napětiacute je stejneacute jak v jednotlivyacutech člaacutenciacutech tak v celeacute naacutedrži bez ohledu na celkovyacute počet člaacutenků Napětiacute je typicky kolem 12 - 2 V Tato konfigurace je jednoduchaacute robustniacute a snadnaacute na uacutedržbu Použiacutevajiacute se relativně levneacute čaacutesti a jednotliveacute buňky jsou snadno izolovatelneacute pro provedeniacute uacutedržby Ze sveacute podstaty maacute většiacute spotřebu energie diacuteky poklesu potenciaacutelu v člaacutenciacutech a je nutneacute použiacutevat vysokyacute proud pro přiměřenou produkci [9]

Obr12 Princip monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute [9]

V bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute jsou elektrody bipolaacuterniacute každaacute elektroda je na jedneacute straně anoda a na druheacute katoda s vyacutejimkou dvou koncovyacutech elektrod z nichž je jedna anoda a druhaacute katoda Buňky jsou spojeny elektricky paralelně a hydraulicky seacuteriově jak je zobrazeno na obraacutezku 13 Proud teče z jedneacute buňky do druheacute a tiacutem paacutedem je stejnyacute pro všechny buňky Celkoveacute napětiacute člaacutenku je rovno součtu napětiacute jednotlivyacutech buněk Každeacute napětiacute zaacutevisiacute na proudoveacute hustotě což je proud na jednotku plochy elektrody a na teplotu elektrolyacutezy V praxi je volt-ampeacuterovaacute charakteristika elektrolyzeacuteru unikaacutetniacute zaacutevisejiacuteciacute na aktivitě elektrody tepelneacute uacutečinnosti a dalšiacutech konstrukčniacutech charakteristikaacutech elektrolyzeacuteru [7]

Obr 13 Princip bipolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute zdroj [9]

V současneacute době neexistujiacute elektrolyzeacutery vyvinuty speciaacutelně pro použitiacute s větrnyacutemi elektraacuternami nicmeacuteně rychlaacute reakce elektrochemickeacuteho systeacutemu na změny energie je dělaacute vhodnyacutemi pro zaacutetěž vyskytujiacuteciacute se při tomto spojeniacute

30

s větrnyacutemi rotory Vyacutepadky dodaacutevek elektřiny však mohou způsobit probleacutemy s koroziacute na elektrodaacutech pokud nejsou chraacuteněny polarizačniacutem proudem v přiacutepadě vyacutepadku dodaacutevky

24Uacutečinnost elektrolyacutezy

V literatuře existuje nejednotnost vyacutekladu co vlastně uacutečinnost elektrolyacutezy je a jak se určuje Autoři zmiňujiacute uacutečinnost energetickou uacutečinnost elektrickou uacutečinnost proudovou uacutečinnost elektrochemickou uacutečinnost Daacutele takeacute zaacutevisiacute zda se jednaacute o uacutečinnost celeacuteho systeacutemu nebo jednotlivyacutech člaacutenků[9][7]Nejobecnějšiacute definice energetickeacute uacutečinnosti elektrolytickeacuteho procesu je

Energetickaacute uacutečinnost = Energetickyacute vyacutestup Celkovaacute dodanaacute energie

V přiacutepadě konvenčniacute vodniacute elektrolyacutezy je energetickyacute vstup limitovaacuten velikostiacute dodaneacute elektrickeacute energie proto je energetickaacute uacutečinnost definovaacutena poměrem energie kteraacute může byacutet obnovena reoxidaciacute vodiacuteku a kysliacuteku za vzniku vody (vyacutehřevnost vodiacuteku) a energie dodaneacute systeacutemu prostřednictviacutem elektrickeacuteho proudu

Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy = Vyacutehřevnost Celkovaacute vstupniacute elektrickaacute energie

Podle teacuteto definice může uacutečinnost přesaacutehnout hodnotu 100 jelikož nebere v uacutevahu energii dodanou do procesu teplem Toto je přiacutepad kdy elektrolyzeacuter pracuje pod termoneutraacutelniacutem napětiacutem když teplo okoliacute je použito jako energetickyacute zdroj a definice jej nebere v uacutevahu [9] Na uacuterovni člaacutenku se energetickaacute uacutečinnost elektrolyacutezy vyjadřuje jako poměr termoneutraacutelniacuteho napětiacute UTN (při standardniacutech podmiacutenkaacutech UTN = 148 V) vůči skutečneacutemu napětiacute člaacutenku U vynaacutesobeno uacutečinnostiacute proudu Uacutečinnost proudu φP je jednoduše poměr počtu elektronů teoreticky potřebnyacutech pro pro vyacuterobu daneacuteho množstviacute vodiacuteku ku skutečneacutemu počtu elektronů dodanyacutech elektrickyacutem proudem potřebnyacutech k vyacuterobě daneacuteho množstviacute vodiacuteku Tato uacutečinnost je typicky kolem 999 Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy ηel je tedy vyjaacutedřena naacutesledujiacuteciacutem vztahem

V zaacutevislosti na zvoleneacutem typu elektrolyacutezy a pracovniacutemi podmiacutenkami se uacutečinnost pohybuje v rozmeziacute 75 - 95 Takto vysokeacute hodnoty uacutečinnosti platiacute pro elektřinu jako zdroj energie Pokud ovšem vezmeme elektřinu jako energetickyacute vyacutestup jineacuteho energetickeacuteho zdroje jako např uhliacute zemniacute plyn nebo zdroje obnovitelneacute energie tak celkoveacute uacutečinnost vyacuteroby vodiacuteku elektrolyacutezou klesne na hranici 30

25Napětiacute člaacutenků

Spotřeba energie elektrolyacutezy je přiacutemo spojena s napětiacutem na člaacutenku a nepřiacutemo s proudovou uacutečinnostiacute Jak už bylo zmiacuteněno dřiacuteve proudovaacute uacutečinnost se bliacutežiacute k hodnotě 100 tzn že důležityacutem parametrem při navrhovaacuteniacute elektrolytickyacutech člaacutenku je napětiacute na člaacutenku

ηel =UTN

UsdotϕP

31

Elektrolyacuteza vody za skutečnyacutech podmiacutenek vyžaduje napětiacute U ktereacute je podstatně vyššiacute než vratneacute napětiacute Urev Musiacute překonat elektrickyacute odpor v elektrodaacutech v elektrolytu mezi elektrodami a separaacutetoru Daacutele musiacute pokryacutet přepětiacute na elektrodaacutech Napětiacute na člaacutenku pak může byacutet vyjaacutedřeno

kde ηK je přepětiacute na katodě ηA je přepětiacute na anodě j je proudovaacute hustota a R je suma elektrickyacutech odporů založenaacute na aktivniacute ploše elektrod Elektrickyacute odpor v elektrodaacutech zaacutevisiacute na typu složeniacute materiaacutelu a teplotě Přepětiacute je určeno aktivitou plochy elektrod složeniacute elektrolytu a teplotou Ohmickyacute odpor spojenyacute s pohybem elektronů je v relativně nevyacuteznamnyacute v bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute představuje ale nezanedbatelnyacute vliv v přiacutepadě monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů [9]

26Vliv provozniacutech podmiacutenek

261Teplota

Zvyacutešeniacute teploty elektrolyacutezy snižuje vratneacute napětiacute UREV a tiacutem paacutedem i celkovou energii vstupujiacuteciacute do procesu Pokud teplota vzroste z 250degC na 1000degC vstupniacute elektrickaacute energie může byacutet sniacutežena o 25 Nicmeacuteně celkovaacute energie potřebnaacute k provedeniacute elektrolyacutezy při vysokeacute teplotě je o něco vyššiacute Vyacutehoda vysokeacute teploty v elektrolytickeacutem procesu je použitiacute tepla jako energetickeacuteho vstupu a tiacutem zvyacutešeniacute uacutečinnosti diacuteky zvyacutešeneacute kinetice procesu Pokud je zdroj tepla snadno dostupnyacute je všeobecně mnohem levnějšiacute než elektřina tento fakt pak může značně ovlivnit celkovou ekonomiku procesu [9]

262Tlak

Tlak při procesu elektrolyacutezy maacute takeacute vliv na energetickeacute požadavky pro vyacuterobu elektrolytickeacuteho vodiacuteku Vratneacute napětiacute při daneacute teplotě T a tlaku p může byacutet určeno z Nernstovi rovnice jako

kde R označuje univerzaacutelniacute plynovou konstantu n počet elektronů potřebnyacutech pro rozděleniacute molekuly vody (n=2) F pro Faradayovu konstantu a aktivita jednotlivyacutech molekul Urev T p=1 vratneacute napětiacute při teplotě T [K] a standardniacutem tlaku p=1 bar Aktivizačniacute koeficienty vodiacuteku aH2 a kysliacuteku aO2 mohou byacutet ziacuteskaacuteny z poměru tlaku vůči atmosferickeacutemu tlaku aH2=pH2p a aO2=pO2p Daacute se předpoklaacutedat že pH2=pO2=p protože tlak na Urev T p=1 kysliacutekoveacute i vodiacutekoveacute straně je stejnyacute Daacutele aktivita vody je přibližně rovna 1 a tlak p=1 bar pak dojde ke zjednodušeniacute Nernstovi rovnice na tvar

Pro teplotu T=298K napětiacute roste s tlakem podle tabulky 3

U =Urev +ηK +ηA + j sdotR

UrevT p =UrevT p=1 +R sdotTn sdotF

lnaH2 sdot(aO2 )

05

aH2O

UrevT p =UrevT p=1 +3sdotR sdotT4 sdotF

ln p

32

Tlak p [bar] 10 30 50 100 200

Urev T p=1 [mV] 44 65 75 89 102

Tab 3 Zaacutevislost reversibilniacuteho napětiacute na tlaku [7]

Elektrolyzeacuter pracujiacuteciacute při tlaku 10 barů při 155V by potřeboval pouze 1608 V pro praacuteci při 200 barech založeno na teoretickeacute uacutevaze kdy (155 V + (102 mV - 44mV))= 162 V Vysokyacute tlak sice zvyšuje teoretickeacute vratneacute napětiacute pouze o paacuter procent i tak je staacutele vyacutehodneacute ho použiacutet ve skutečnyacutech elektrolyzeacuterech a to z důvodu sniacuteženiacute spotřeby energie a to diacuteky zvyacutešeneacute efektivitě (snižuje pracovniacute napětiacute) a vyššiacute dosažitelneacute proudoveacute hustotě Vysokyacute tlak daacutele redukuje velikost plynovyacutech bublinek na plochaacutech elektrod tiacutem zvyšuje vyacutekon buňky Vyacutehody tak převaacutežiacute lehkeacute zvyacutešeniacute teoretickeacuteho napětiacute Hlavniacutem důvodem pro použitiacute vysokotlakeacuteho procesu elektrolyacutezy je ovšem absence potřeby stlačovaacuteniacute vodiacuteku po jeho produkci a tiacutem paacutedem sniacuteženiacute naacutekladů Elektrolyzeacutery dokaacutežiacute zajistit zvyacutešeniacute tlaku při relativně maleacute potřebě energie Malyacute pokles energetickeacute uacutečinnosti procesu vyvaacutežiacute eliminaci kompresoru při dalšiacutem zpracovaacuteniacute vodiacuteku Vysokyacute tlak kolem 400 barů může způsobit mechanickeacute probleacutemy na elektrolyzeacuteru a tiacutem zvyacutešit investičniacute naacuteklady

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku

Spotřeba energie elektrolytickyacutem člaacutenkem může byacutet určena přiacutemyacutem způsobem z pracovniacuteho napětiacute člaacutenku U a proudoveacute uacutečinnosti φP Počet elektronů e- potřebnyacutech pro ziacuteskaacuteniacute jednoho kilogramu vodiacuteku z vodniacute elektrolyacutezy je bez ohledu na pracovniacute podmiacutenky fixniacute a to 26589 kAh Tato hodnota vychaacuteziacute z faktu že 2 elektrony jsou potřeba k vytvořeniacute jedneacute molekuly vodiacuteku z vody zbylaacute čaacutest je jednoduchaacute konverze jednotek zohledněniacutem molaacuterniacute hmotnosti vodiacuteku

Specifickaacute energie elektrolyzeacuteru K v kWhkg H2 pak může byacutet určena pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

kde U je průměrneacute pracovniacute napětiacute jednoho člaacutenku a φi proudovaacute uacutečinnost Tato rovnice nezohledňuje energii potřebnou ke stlačeniacute vodiacuteku pokud je požadovaacuten tlak vyššiacute než kteryacute je na vyacutestupu z elektrolyzeacuteru Nezahrnuje ani malou čaacutest energie potřebnou k de-ionizaci vody a ke konverzi ze střiacutedaveacuteho na stejnosměrnyacute proud Každopaacutedně rovnice naacutem daacutevaacute dobrou představu o spotřebě energie pro samotnyacute elektrolyzeacuter V tabulce 4 jsou shrnuty zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

2eminus

H2

sdot 1000gH2

2016gH2 molH2

sdot 96487Cmol

sdot 1eminus

sdot 1kA1000C s

sdot 1h3600s

= 26589kAh

K = 26589 sdotUϕi

33

Alkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacuteza El pevneacuteho polymeru

Parniacute el

Technologie Konvenčniacute al el

Moderniacuteal el

Inorganickaacutemembraacutenaal el

Pevnyacutepolymer

Vysoko tep lo tn iacute elektrolyzeacuter

Napětiacute člaacutenku [V] 18 - 22 15 - 25 16 - 19 14 - 20 095 - 13

P r o u d o v aacute hustota[Acm2]

013 - 025 02 - 20 02 - 10 10 - 40 03 - 10

Teplota [degC] 70 - 90 80 - 145 90 - 120 80 - 150 900 - 1000

Tlak [bar] 1 - 2 až do 120 až do 40 až do 400 900 - 1000

Elektrolyt 25 - 35 KOH

25 - 40 KOH

14 - 15KOH

Flurosulfonovaacutekyselina Keramickyacute

Uacute č i n n o s t člaacutenku [] 77 - 80 80 - 90 85 - 95 85 - 98 90 - 99

S p o t ř e b a energie [kWhNm3 H2]

43 - 49 38 - 43 36 - 40 36 - 40 25 - 35

Tab 4 Zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

34

3Metody uskladněniacute vodiacuteku

Z důvodu pokrytiacute denniacutech a sezonniacutech rozdiacutelů mezi dostupnostiacute energie a požadavky na tuto energii musiacute byacutet vodiacutek skladovaacuten Vodiacutek může byacutet skladovaacuten v plynneacute formě kapalneacute formě a takeacute jako hydrid kovu Vodiacutek je velmi lehkyacute plyn s malou hustotou To znamenaacute že maleacute množstviacute vodiacuteku zabiacuteraacute velkyacute objem Ciacutelem tedy je zvyacutešit objemovou hustotu vodiacuteku Klasickeacute oceloveacute vysokotlakeacute oceloveacute naacutedoby jsou plněny až na tlak 200 barů Naacutedoby vyrobeneacute ze zesiacutelenyacutech uhliacutekovyacutech vlaacuteken mohou teoreticky uklaacutedat vodiacutek při tlaku až 600 barů prakticky byl dosažen tlak asi 450 barů Ciacutelem automobiloveacuteho průmyslu je však hodnota 700 barů pro skladovaacuteniacute plynneacuteho vodiacuteku při běžneacutem použiacutevaacuteniacute v automobilech To však požaduje vyacutevoj novyacutech kompozitniacutech materiaacutelů ktereacute odolajiacute vysokeacutemu tlaku a nestanou se při styku s vodiacutekem křehkyacutemi S vyššiacutem tlakem roste hustota ale samotnaacute komprese je velmi komplikovanyacute nebezpečnyacute a drahyacute proces Zvyacutešeniacute hustoty vodiacuteku lze takeacute dosaacutehnout zkapalněniacutem nebo převedeniacutem do pevneacuteho stavu Hustota tekuteacuteho vodiacuteku je cca 708 kgm3 v porovnaacuteniacute s hustotou vodiacuteku v pevneacutem stavu a to 706 kgm3 Kondenzačniacute teplota vodiacuteku je při tlaku 1 bar -252degC z toho vyplyacutevaacute že proces zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je velmi energeticky naacuteročnyacute Tekutyacute vodiacutek se tak použiacutevaacute pokud je nezbytneacute zajistit vysokou hustotu napřiacuteklad pro kosmickeacute aplikace[10] Vodiacutek je takeacute schopen vytvaacuteřet hydridy s některyacutemi kovy Vodiacutek v molekulaacuterniacute podobě je absorbovaacuten do atomoveacute mřiacutežky kovů Objemovaacute hustota takoveacuteho vodiacuteku je pak na uacuterovni vodiacuteku kapalneacuteho ale pokud vezmeme v potaz i samotnou hmotnost kovů pak je hustota mnohem nižšiacute V současneacute době je nejvyššiacute dosažitelnaacute hustota jen přibližně 007 kg H2kg kovu při vysokeacute teplotě Vodiacutek v pevneacutem stavu je nejbezpečnějšiacute cesta jak uskladnit energii zvlaacuteště pro stacionaacuterniacute a mobilniacute aplikace Hlavniacutem probleacutemem pro uskladněniacute vodiacuteku v pevneacutem stavu je samotnaacute vaacuteha naacutedržiacute vysokaacute desorpčniacute energie niacutezkaacute kinetika desorpce dlouhaacute doba nabiacutejeniacute vysokyacute tlak a přenos tepla Vodiacutek může byacutet skladovaacuten jako plyn při vysokyacutech tlaciacutech jako kapalina v kryogenniacutech zaacutesobniacuteciacutech jako plyn chemicky vaacutezanyacute (např v hydridech kovů) Na obraacutezku 14 je uveden objem vodiacuteku a hmotnost celeacuteho zařiacutezeniacute vztaženaacute k zmiacuteněnyacutem způsobům skladovaacuteniacute a daacutele v porovnaacuteniacute s benziacutenem metanolem a uchovaacutevaacuteniacutem energie v bateriiacutech (vztaženeacute na energetickyacute ekvivalent 990 000 Btu (1 044 500 kJ))

35

Obr 14 Objemoveacute a hmotnostniacute porovnaacuteniacute paliv odpoviacutedajiacuteciacutech energetickeacutemu ekvivalentu 990000 Btu [12]

Nejlepšiacute cestou skladovaacuteniacute vodiacuteku je jeho uloženiacute ve formě uhlovodiacutekovyacutech paliv ačkoliv tato varianta vyžaduje dodatečnyacute systeacutem jeho extrahovaacuteniacute Niacutezkaacute hustota vodiacuteku ve formě plynneacute i kapalneacute maacute za naacutesledek takeacute niacutezkou hodnotu hustoty energie Danyacute objem vodiacuteku tedy obsahuje meacuteně energie než stejnyacute objem jinyacutech paliv Proto se napřiacuteklad zvyšuje relativniacute skladovaciacute objem naacutedrže pro dosaženiacute daneacute dopravniacute vzdaacutelenosti Použitiacutem vodiacuteku v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků vyrovnaacutevaacuteme podmiacutenky s ostatniacutemi palivy tiacutem že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vyššiacute oproti uacutečinnosti spalovaciacutech motorů takže bude zapotřebiacute meacuteně paliva a tiacutem i energie k dosaženiacute stejneacuteho energetickeacuteho vyacutesledku [12] Přes niacutezkou objemovou energetickou hustotu disponuje vodiacutek nejvyššiacutem poměrem energie k hmotnosti ze všech paliv Avšak tuto vyacutehodu obvykle zastiňuje velkaacute hmotnost zaacutesobniacuteku a naacutevaznyacutech zařiacutezeniacute Většina zaacutesobniacuteků vodiacuteku je značně rozměrnyacutech a těžkyacutech mnohem viacutec než použiacutevaneacute naacutedrže pro benziacuten

36

či naftu [12] Existujiacute i dalšiacute noveacute metody uskladněniacute vodiacuteku jako aktivovanyacute povrch uhliacuteku pomociacute skleněnyacutech mikrokuliček a komplexů polyhydridů Tyto technologie zvyšujiacute objemovou hustotu skladovaacuteniacute vodiacuteku jsou ovšem staacutele vyviacutejeny a v průmyslu zatiacutem nebyly implementovaacuteny [11]

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu

Měrnaacute akumulačniacute kapacita vodiacuteku v plynneacutem stavu zaacutevisiacute na skladovaciacutem tlaku Při skladovaacuteniacute za normaacutelniacutech podmiacutenek je i přes vysokeacute spalneacute teplo vodiacuteku akumulačniacute kapacita relativně niacutezkaacute a to asi 128 MJm3 Pokud se tlak zvyacutešiacute na 10 MPa akumulačniacute kapacita pak bude 1200 MJm3 [10] Stlačenyacute vodiacutek se uskladňuje v tlakovyacutech lahviacutech podobnyacutech těm ktereacute jsou použiacutevaacuteny pro stlačenyacute zemniacute plyn Většina tlakovyacutech zaacutesobniacuteků maacute vaacutelcovyacute tvar s půlkulovyacutemi vypuklyacutemi dny V současneacute době je snaha budovat zaacutesobniacuteky uspořaacutedaneacute za sebou a deformovat vaacutelcovyacute tvar pro zvětšeniacute užitečneacuteho objemu Otvory ve středu půlkulovyacutech den pak umožňujiacute průtok plynu do tlakoveacute naacutedoby a jsou osazeny regulaacutetory a zaacutekladniacutemi prvky řiacutezeniacute průtoku Jeden osazenyacute koncovyacute prvek působiacute primaacuterně jako uzaviacuteraciacute ventil ačkoli obsahuje i pojistnyacute ventil a může daacutele obsahovat i sniacutemače teploty a tlaku pro měřeniacute veličin stavu plynu v zaacutesobniacuteku Druheacute osazeniacute je pak již složityacutem zařiacutezeniacutem ktereacute se sklaacutedaacute ze solenoidoveacuteho nebo elektromagnetickeacuteho ventilu manuaacutelniacuteho uzaviacuteraciacuteho ventilu jednosměrneacuteho ventilu a tlakoveacuteho pojistneacuteho ventilu [12] Elektromagnetickyacute ventil uzaviacuteraacute zaacutesobniacutek a izoluje naacutedobu v přiacutepadě že zařiacutezeniacute je mimo provoz Odstavovaciacute ventil uzavře průtok plynu ze zaacutesobniacuteku jestliže je průtok přiacuteliš velkyacute (např praskne-li trubka) Manuaacutelniacute uzaviacuteraciacute ventil umožňuje aby obsah zaacutesobniacuteku byl uzavřen nebo vypuštěn manuaacutelně v přiacutepadě poruchy elektromagnetickeacuteho ventilu Jednosměrnyacute ventil umožňuje plněniacute zatiacutemco elektromagnetickyacute ventil je uzavřen Pojistnyacute tlakovyacute ventil (na obou konciacutech vaacutelce) vypouštiacute obsah zaacutesobniacuteku v přiacutepadě kdy je vystaven působeniacute vysokyacutech vnitřniacutech tlaků či vysokyacutech okolniacutech teplot (např vystaveniacute ohni) Termiacutenem bdquovysokotlakyacute plynldquo obvykle označujeme plyn s tlaky vyššiacutemi jak 207 barg (3 000 PSIg) a to v přiacutepadě kdy hovořiacuteme o skladovaacuteniacute plynů

37

Obr 15 Konstrukce laacutehve Typu 3 [12] Tlaky vyššiacute jak 2 barg (30 PSIg) představujiacute dostatečnou hrozbu zraněniacute člověka a proto i o nich můžeme v terminologii hovořit jako o vysokyacutech Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky plynu musiacute byacutet konstruovaacuteny z tlustostěnnyacutech vysokopevnostniacutech materiaacutelů a musiacute byacutet velice trvaleacute Zaacutesobniacuteky jsou klasifikovaacuteny do čtyř typů v zaacutevislosti na použiteacutem konstrukčniacutem materiaacutelu viz tabulka 5 Obecně lze řiacuteci že čiacutem meacuteně použiteacuteho kovu tiacutem menšiacute hmotnost zaacutesobniacuteku Z tohoto důvodu je obvykle u vodiacutekovyacutech aplikaciacute použiacutevaacuten typ 3 na obraacutezku 15 V budoucnu však pravděpodobně ziacuteskaacute vyacutesadniacute postaveniacute typ 4 Specifickaacute hmotnost pak zaacutevisiacute individuaacutelně na vyacuterobě daneacuteho typu Jako referenčniacute objem bereme 35 ft3(100 l) U oceloveacuteho zaacutesobniacuteku typu 1 je hmotnost zaacutesobniacuteku přibližně 100 kg u typu 3 65 kg a v přiacutepadě typu 4 je hmotnost zaacutesobniacuteku cca 30 kg [12]

Typ lahve

Popis Hmotnostikovkompozit

Typ 1 Laacutehev kompletně z oceli a hliniacuteku 1000

Typ 2 Laacutehev s kovovyacutem pruhem z oceli čiacute hliniacuteku a s obručemi z kompozitniacuteho materiaacutelu

5545

Typ 3 Laacutehev zcela zabalenaacute do kompozitniacuteho materiaacutelu s tenkyacutemi vrstvami z oceli či hliniacuteku

2080

Typ 4 Laacutehev zcela zabalenaacute v kompozitniacutem materiaacutelu s plastickyacutemi vrstvami

0100

Tab 5 Klasifikace vysokotlakyacutech lahviacute na vodiacutek

38

Typ 3 ziacuteskaacutevaacute nejviacutece pevnosti z kompozitniacuteho obalu kteryacute je navinut kolem vnitřniacute vložky Kompozit se sklaacutedaacute z vysokopevnostniacutech vlaacuteken (obvykle uhliacutekatyacutech) jež jsou stmelena pryskyřiciacute (např epoxid) viz obraacutezek 15 Kombinace vlaacuteken a pryskyřice použiacutevaneacute pro tyto kompozitniacute zaacutesobniacuteky zaručujiacute extreacutemně vysokou odolnost Povrch kompozitu je meacuteně odolnyacute než povrch kovu a je viacutece naacutechylnyacute k fyzikaacutelniacutemu poškozeniacute (střih abraze naacuteraz atd) či chemickeacutemu poškozeniacute (čpavek kyseliny atd) avšak meacuteně naacutechylnyacute ke korozi Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky obvykle skladujiacute vodiacutek při 250 bar i když se zkoušejiacute zaacutesobniacuteky na provozniacute tlak 350 bar Současnyacute stav technologie jež je čaacutestečně ve stadiu vyacutevoje si dovoluje překračovat v testu roztrženiacute zaacutesobniacuteku hodnoty tlaku 1620 bar u zaacutesobniacuteku Typu 4 pak 700 bar Jakeacutekoliv plyny ktereacute se skladujiacute při těchto vysokyacutech tlaciacutech jsou extreacutemně nebezpečneacute a jsou schopny opouštět zaacutesobniacutek proudem plynu s explozivniacutemi uacutečinky sil nebo uvaacutedět do pohybu maleacute předměty jako projektily Neukotvenyacute zaacutesobniacutek se může změnit v raketu v přiacutepadě kdy plyn naacutehle začne proudit malyacutem otvorem Navzdory potenciaacutelniacutemu nebezpečiacute majiacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky velmi dobryacute stupeň bezpečnosti Provedeniacute zaacutesobniacuteku musiacute odpoviacutedat přiacutesnyacutem standardům a musiacute vydržet různeacute certifikačniacute testy Pro zajiacutemavost nesmiacute selhat během 13000 tlakovyacutech cyklech při 100 servisniacutem tlaku plus 5000 cyklů při 125 servisniacutem tlaku ani při 30 cyklech při 166 servisniacuteho tlaku Daacutele prochaacuteziacute testem na roztrženiacute zaacutesobniacuteku při 225 až 3 naacutesobku servisniacuteho tlaku Tlakovaacute laacutehev musiacute daacutele vydržet paacuted z vyacutešky naacuterazy naacuterazy kyvadlem a musiacute byacutet dokonce odolnaacute při vystaveniacute střelbě [12] Během vyacuteroby je každyacute zaacutesobniacutek vystaven hydrostatickyacutem tlakovyacutem testům a testům na těsnost vybraneacute zaacutesobniacuteky zadaneacute seacuterie jsou zkoušeny cyklickyacutemi a pevnostniacutemi testy uvedenyacutemi vyacutešeZaacutesobniacuteky jsou během vyacuteroby označeny je to jeden z nutnyacutech standardů vyacuteroby seacuteriovyacutem čiacuteslem servisniacutem a provozniacutem jmenovityacutem tlakem a datem zhotoveniacute U zaacutesobniacuteků jež nejsou vystavovaacuteny těžkyacutem externiacutem podmiacutenkaacutem a tlak plynu se pohybuje na jmenoviteacute hodnotě se očekaacutevaacute doba životnosti do 15 let nebo do 11 250 naplněniacute Inspekčniacute testy a testy těsnosti jsou rutinniacute součaacutesti uacutedržby Typickeacute mobilniacute aplikace použiacutevajiacute seacuterii zaacutesobniacuteků upevněnyacutech na společneacute rozvodneacute potrubiacute Při nominaacutelniacutem tlaku 250 bar systeacutem zaacutesobniacuteků vaacutežiacute asi čtyřikraacutet viacutece než srovnatelnyacute systeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute formě a zaujiacutemaacute viacutece než čtyřnaacutesobek prostoru V porovnaacuteniacute s benziacutenem je skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacute formě patnaacutectkraacutet naacuteročnějšiacute prostorově a třiadvacetkraacutet hmotnostně Řešeniacute probleacutemu pak vyžaduje napřiacuteklad pokrytiacute 50 střechy autobusu zaacutesobniacuteky vodiacuteku aby byly nahrazeny staacutevajiacuteciacute naacutedrže nafty Navzdory tomuto objemu je celkovaacute hmotnost vodiacuteku jen 40 až 50 kg a je zanedbatelnaacute v porovnaacuteniacute s hmotnostiacute zaacutesobniacuteků a externiacuteho vybaveniacute Skladovaacuteniacute plynu při ještě většiacutem tlaku daacutevaacute menšiacute skladovaciacute objem ale celkovaacute hmotnost zaacutesobniacuteku se přiacuteliš neměniacute jelikož zaacutesobniacuteky musiacute byacutet robustnějšiacute Současnyacute stav (2012) pro tento typ skladovaacuteniacute je 350 bar a hmotnostniacutem poměru 113 u zaacutesobniacuteku typu 4 Komprese plynu je energeticky naacuteročnyacute proces Čiacutem vyššiacute koncovyacute tlak tiacutem většiacute množstviacute energie je potřeba Avšak přiacuterůstek energie potřebneacute k dosaženiacute vyššiacuteho tlaku klesaacute takže počaacutetečniacute uacutesek zůstaacutevaacute energeticky intenzivnějšiacute čaacutestiacute procesu komprimaceVyvaacuteženiacute přiacuterůstku (snižovaacuteniacute) hustoty plynu při vyššiacutech tlaciacutech se staacutevaacute důležitou ekonomickou otaacutezkou v hospodařeniacute s energiiacute při vyššiacutech uacuterovniacutech komprese Užitečnou cestou k pochopeniacute energetickyacutech naacutekladů

39

na komprimaci je způsob jejich vyjadřovaacuteniacute procentem energie na komprimaci z celkoveacute energie obsaženeacute v zaacutesobniacuteku vodiacuteku Za teacuteto podmiacutenky je přibližnaacute spotřeba 5 z celkoveacute energie laacutetky v zaacutesobniacuteku při komprimaci na 350 bar Přesneacute množstviacute energie je samozřejmě zaacutevisleacute na průtoku a uacutečinnosti použiteacuteho kompresoru Ke skladovaacuteniacute vodiacuteku v podobě stlačeneacuteho plynu se využiacutevajiacute předevšiacutem podzemniacute poreacutezniacute zaacutesobniacuteky kolektory solneacute sloje či skalniacute dutiny Anglie a Francie majiacute dlouhodobou zkušenost na poli podzemniacuteho uskladněniacute vodiacuteku Britskyacute chemickyacute koncern ICI uskladňuje vodiacutek v třikraacutet pročištěneacute solneacute sloji v Teeside Vodiacutek je v teacuteto 366 m hlubokeacute sloji natlakovaacuten na 50 barů Od 1957 do 1974 GAZ DE FRANCE uskladňoval městskyacute plyn s obsahem vodiacuteku 50 v kolektoru s objemem 330 milioacutenů m3 Maleacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky jsou bez vyacutejimky provedeny jako nadzemniacute zařiacutezeniacute pro stlačenyacute plyn V průmysloveacutem sektoru se již vyskytla standardizace typů Vyacutesledkem jsou vaacutelcoviteacute zaacutesobniacuteky s maximaacutelniacutem provozniacutem tlakem 5 MPa a 28 m v průměrech ktereacute jsou k dostaacuteniacute s naacutesledujiacuteciacutemi deacutelkami (či vyacuteškami) 73 m (max obsah při 45 MPa je 1 305 Nm3) 108 m (max obsah 2 205 Nm3) a 19 m (max obsah 4 500 Nm3) V tomto přiacutepadě vyacutepočty pro energetickyacute obsah v hmotnostniacute či objemoveacute jednotce včetně samotneacuteho zaacutesobniacuteku vedou na hodnoty 024 ndash 031 kWhkg respektive 0135 kWhl [12] Podzemniacute zaacutesobniacuteky obdobneacute podzemniacutem zaacutesobniacuteků zemniacuteho plynu (v podzemniacutech kavernaacutech ve vodonosnyacutech vrstvaacutech ve vytěženyacutech ložisciacutech ropy apod) Skladovaacuteniacute vodiacuteku v těchto zaacutesobniacuteciacutech bude ovšem asi 3 x dražšiacute než skladovaacuteniacute zemniacuteho plynu převaacutežně kvůli menšiacute objemoveacute kapacitě vodiacuteku Nevyacutehoda takoveacuteho skladovaacuteniacute jsou ztraacutety ktereacute mohou dosaacutehnout až 3 procent ročně Tento typ uacuteložišť se již využiacutevaacute V Kielu se již od roku 1971 skladuje městskyacute plyn kteryacute obsahuje až 65 vodiacuteku v podzemniacutem zaacutesobniacuteku v hloubce 1330 m o objemu 32 000 m3 a tlaku 8 - 16 MPa [10] Nadzemniacute zaacutesobniacutekoveacute systeacutemy se běžně použiacutevajiacute v průmyslu zemniacuteho plynu v různyacutech rozměrovyacutech a tlakovyacutech uacuterovniacutech Běžneacute tlakoveacute lahve o objemu 50 litrů a tlaku 20 Mpa stacionaacuterniacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky s tlakem 20 MPa i většiacutem velkeacute kuloveacute zaacutesobniacuteky o objemu až 30 000 m3 a tlaku 12 - 16 Mpa Naacuteklady jsou u teacuteto metody dosti vysokeacute (komprese vysokotlakeacute naacutedoby) V přiacutepadě použitiacute v automobilu se tato metoda vykazuje rychlou dobou plněniacute a velkyacutem množstviacutem uskladněneacuteho vodiacuteku (na uacutekor bezpečnosti) Na plnou naacutedobu vodiacuteku vaacutežiacuteciacute okolo 40 kg s 39 kg vodiacuteku je auto schopno ujet až 600 km

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu

Systeacutemy skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute faacutezi překonaacutevajiacute mnoho probleacutemů spojenyacutech s objemem a hmotnostiacute při vysokotlakeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku avšak za cenu potřeby zajištěniacute kryogenniacutech teplot Kapalnyacute vodiacutek může byacutet skladovaacuten pod svyacutem bodem varu ktereacuteho za normaacutelniacutech podmiacutenek dosaacutehne při -252882 degC (20268 K) nebo takeacute bliacuteže podmiacutenek okolniacuteho tlaku v dvoustěnnyacutech super izolovanyacutech naacutedržiacutech neboli bdquodewarechldquo (Dewarovyacutech naacutedobaacutech) Tyto izolace jsou izolacemi vakuovyacutemi [12] Zaacutesobniacuteky tekuteacuteho vodiacuteku nepotřebujiacute vysokotlakeacute naacutedoby a proto nemusiacute byacutet tak robustniacute Vodiacutek nemůže byacutet skladovaacuten v zaacutesobniacuteciacutech neomezeně Všechny zaacutesobniacuteky bez ohledu na kvalitu izolace umožňujiacute transfer tepla mezi zaacutesobniacutekem a okoliacutem Velikost teplotniacute netěsnosti zaacutevisiacute na konstrukci a velikosti zaacutesobniacuteku

40

Tyto přiacutečiny přenosu tepla vedou k odpařovaacuteniacute vodiacuteku a zvyšovaacuteniacute tlaku Stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky kapalneacuteho vodiacuteku jsou stavěny nejčastěji ve formě kuloviteacute jelikož koule nabiacuteziacute nejmenšiacute povrch k daneacutemu objemu a proto nejmenšiacute plochu přestupu tepla [12] Zaacutesobniacuteky majiacute maximaacutelniacute konstrukčniacute přetlak kolem 5 bar v přiacutepadě že odběr vodiacuteku je menšiacute než jeho produkce a vypařovaacuteniacutem roste tlak v zaacutesobniacuteku až do hodnoty kdy je odveden pojistnyacutem ventilem Odplyněniacute sniacuteženiacute přetlaku tiacutemto způsobem neniacute jenom přiacutemou ztraacutetou využitelneacuteho paliva ale v přiacutepadě mobilniacutech jednotek i potenciaacutelniacute nebezpečiacute a to předevšiacutem v budovaacutech a garaacutežiacutech Současneacute automobiloveacute aplikace zaacutesobniacuteku kapalneacuteho vodiacuteku odvaacutedějiacute 1 až 2 za den Vodiacutek může byacutet čerpaacuten ze zaacutesobniacuteku buď jako kapalina nebo jako plyn V přiacutepadě že je použiacutevaacuten v jednotkaacutech s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem může byacutet kapalnyacute vodiacutek vstřikovaacuten přiacutemo do vaacutelce v zaacutevislosti na zvyšujiacuteciacutemsnižujiacuteciacutem se množstviacute spalovaneacuteho paliva a pracovniacutem zdvihu V přiacutepadě použitiacute v palivoveacutem člaacutenku plynnyacute vodiacutek může byacutet odčerpaacutevaacuten při odpoviacutedajiacuteciacutem tlaku pro zaacutesobovaacuteniacute daneacute reakce [12] Ačkoli skladovaacuteniacute kapalneacuteho vodiacuteku eliminuje nebezpečiacute spojenaacute s vysokotlakyacutem skladovaacuteniacutem plynů přinaacutešiacute daacutele nově vlastniacute nebezpečiacute spojenaacute s niacutezkyacutemi teplotami Vaacutežnaacute nebezpečiacute omrzlin existujiacute ve spojeniacute s kapalnyacutem vodiacutekem jeho paacuterami a kontaktniacutemi plochami Uhliacutekataacute ocel vystavenaacute teplotaacutem nižšiacutem -30 degC a to přiacutemo nebo nepřiacutemo se staacutevaacute křehkou a je naacutechylnaacute k lomu Vzduch může kondenzovat na povrchovyacutech plochaacutech ktereacute jsou podchlazeneacute může odkapaacutevat daacutele i na materiaacutely nebezpečneacute z pohledu vzniacuteceniacute požaacuteru nebo vyacutebuchu nebezpečiacute totiž spočiacutevaacute v naacutesledneacutem zvyacutešeniacute koncentrace [12] Zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je vzhledem k dosaacutehnutiacute extreacutemně niacutezkyacutech teplot energeticky velmi naacuteročnyacute intenzivniacute proces Zkapalňovaacuteniacute zahrnuje několik kroků Prvniacutem je komprese vodiacuteku v piacutestoveacutem kompresoru přechlazeniacute stlačeneacuteho plynu na teplotu zkapalněniacute dusiacuteku (-195 degC) naacutesleduje expanze přes turbiacutenu a posledniacutem krokem je katalytickaacute konverze na stabilniacute formu vodiacuteku Ve vyacutesledku je energie potřebnaacute k procesu zkapalněniacute ekvivalentem kteryacute překračuje 40 energetickeacute vztažneacute hodnoty vodiacuteku Kapalnou formu vodiacuteku lze relativně uacutečinně transportovat a lehce použiacutevat Je zřejmeacute že během zkapalňovaacuteniacute se vklaacutedajiacute do energie maximaacutelniacute investice a proto se jeviacute proziacuteraveacute skladovat a použiacutevat vodiacutek přiacutemo jako kapalinu kdykoli je to možneacute V zaacutevislosti na množstviacute zkapalňovaneacuteho vodiacuteku jsou použiacutevaacuteny různeacute zkapalňovaciacute metody Velkaacute zařiacutezeniacute obvykle využiacutevajiacute kombinace naacutesledujiacuteciacutech metod - turbiacutenovaacute Joule-Thomsonova či magnetokalorickaacute metoda Ve všech přiacutepadech je zkapalněniacute dosaženo kompresiacute naacutesledovaneacute určityacutem způsobem expanze buď nevratneacute využitiacutem škrtiacuteciacuteho ventilu či čaacutestečně vratneacute využitiacutem expanzniacuteho stroje Obvykle je použito 6 stupňů tepelneacuteho vyacuteměniacuteku přičemž prvniacute je chlazen tekutyacutem dusiacutekem V předposledniacutem kroku obstaraacutevaacute expanzi Joule-Thomsonův ventil Využitiacute magnetokalorickyacutech metod umožňuje přeměnu ortho-vodiacuteku na para-vodiacutek Po několika krociacutech je dosažen obsah para-vodiacuteku okolo 95 Para-vodiacutek maacute menšiacute energetickyacute obsah než ortho-vodiacutek[12] Způsob uskladněniacute kapalneacuteho vodiacuteku je obvykle proveden pomociacute uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků majiacuteciacutech perlitoveacute podtlakoveacute izolace V USA je mnoho obdobnyacutech zaacutesobniacuteků Největšiacute z nich patřiacute NASA a je situovaacuten na mysu Canaveral Tento zaacutesobniacutek maacute objem přibližně 3 800 m3 (přibližně 270 t LH2) Běžneacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky majiacute objemy od 1 500 l (přibližně 1 100 Nm3) až do 75 000 l

41

(přibližně 60 000 Nm3) V souvislosti s aktivitami tyacutekajiacuteciacutemi se dopravniacutech prostředků na vodiacutek byla v Německu vyvinuta malaacute přenosnaacute uskladňovaciacute zařiacutezeniacute Zaacutesobniacuteky pro automobily (umiacutestěneacute v testovanyacutech dopravniacutech prostředciacutech BMW) a autobusy (umiacutestěneacute v MAN-Bus SL202) jsou v současnosti vyraacuteběneacute pouze v maleacutem počtu Zaacutesobniacuteky pro autobusy se sklaacutedajiacute ze třiacute eliptickyacutech křiacutežiacuteciacutech se zaacutesobniacuteků každyacute o objemu 190 l odpoviacutedajiacuteciacute energetickeacutemu obsahu 450 kWh či 150 Nm3 plynneacuteho vodiacuteku při normaacutelniacutech podmiacutenkaacutech Dosažitelnaacute energetickaacute hustota je 45 kWhkg či 213 kWhl Zaacutesobniacuteky jsou konstruovaacuteny z 200 - 300 vrstev izolačniacutech foacuteliiacute dovolujiacuteciacutech odpařit okolo 1 zkapalněneacuteho plynu za den Nicmeacuteně toto množstviacute narůstaacute při spojeniacute několika zaacutesobniacuteků dohromady vlivem ztraacutet ve spojovaciacutem potrubiacute [12]

Obr 16 120 litrovaacute naacutedrž na tekutyacute vodiacutek firmy Linde [16]

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů

Systeacutemy skladovaacuteniacute v hydridech kovů se zaklaacutedajiacute na principu snadneacute absorpce plynu určityacutemi materiaacutely za podmiacutenek vysokeacuteho tlaku a miacuternyacutech teplot Tyto laacutetky pak uvolňujiacute vodiacutek jako plyn v přiacutepadě kdy jsou zahřiacutevaacuteny při niacutezkyacutech tlaciacutech a relativně vysokyacutech teplotaacutech V podstatě tyto materiaacutely kovy nasaacutevajiacute a uvolňujiacute vodiacutek jako bdquohoubaldquo Vyacutehoda skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů se soustřeďuje na skutečnost že vodiacutek se staacutevaacute součaacutestiacute chemickeacute struktury těchto kovů a proto daacutele neniacute požadovaacuten vysokyacute tlak nebo kryogenniacute teplota pro vlastniacute provoz [12] Vodiacutek se uvolňuje z hydridů pro použitiacute při niacutezkeacutem tlaku hydridy kovů jsou ve sveacute podstatě nejbezpečnějšiacute ze všech systeacutemů skladovaacuteniacute Existuje mnoho typů specifickyacutech hydridů kovů primaacuterně se však staviacute na kovovyacutech slitinaacutech hořčiacuteku niklu železa a titanu Hydridy kovů mohou byacutet rozděleny dle vysoko nebo niacutezkoteplotniacute desorpce vodiacuteku Vysokoteplotniacute hydridy jsou levnějšiacute a jsou schopneacute uchovaacutevat viacutece vodiacuteku než niacutezkoteplotniacute ale vyžadujiacute vyacuteznamně viacutece tepelneacute energie

42

pro uvolněniacute vodiacuteku Niacutezkoteplotniacute hydridy mohou na rozdiacutel od vysokoteplotniacutech hydridů ziacuteskat dostatek tepelneacute energie pro uvolněniacute vodiacuteku z vlastniacute jednotky ktereacute vyžadujiacute externiacute zdroj tepelneacute energie Niacutezkaacute teplota desorpce ve spojeniacute s niacutezkoteplotniacutemi hydridy může byacutet probleacutemem vzhledem k přiacuteliš snadneacutemu uvolňovaacuteniacute plynu za okolniacutech podmiacutenek K překonaacuteniacute těchto probleacutemů musiacute byacutet niacutezkoteplotniacute hydrid kovu pod tlakem čiacutemž vzrůstaacute komplikovanost procesu Typickeacute charakteristiky hydridů kovů jsou shromaacutežděny v tabulce 6

Charakteristika NiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacute VysokoteplotniacuteVysokoteplotniacuteVysokoteplotniacute

T i 2 N i -H25

F e T i -H25

VH-VH2 L a N i 5 -H67

M g C u -H3

M g 2 N i -H4

Mg-H

Množs tv iacute s l i t i ny absorbujiacuteciacute H2 []

161 187 192 155 267 371 825

Množstviacute hydridu s c h o p n eacute h o absorbovat energii jako z 1l benziacutenu [kg]

155 134 130 161 - 675 35

Množstviacute slitiny k akumulaci 25 kg vodiacuteku [kg]

217 188 182 225 - 95 50

Desorpčniacute teplota při tlaku 15 barg [degC]

-3 7 15 21 245 267 296

Doplňovaacuteniacute snadneacute - - těžkeacute - těžkeacute těžkeacute

Tab 6 Charakteristika použiacutevanyacutech hydridů kovu [12]

Hlavniacute nevyacutehodou skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů neniacute jen teplota a tlak nutnyacute pro extrakci vodiacuteku ale i jejich niacutezkaacute hustota energie Dokonce i ty nejlepšiacute hydridy obsahujiacute jen 8 hmotnostniacutech procent vodiacuteku Majiacute proto velkou hmotnost a naviacutec jsou draheacute Systeacutem s hydridem kovu může byacutet až třicetkraacutet těžšiacute a desetkraacutet objemnějšiacute než naacutedrž s benziacutenem stejneacuteho energetickeacuteho obsahu Dalšiacute nevyacutehodou systeacutemů na baacutezi hydridu kovu je nutnost použiacutevat jen velmi čistyacute vodiacutek jinak dojde ke kontaminaci hydridu s naacuteslednou ztraacutetou kapacity Kysliacutek a voda jsou prvotniacutemi činiteli jelikož se chemicky adsorbujiacute na povrch kovů a nahrazujiacute potenciaacutel vodiacutekovyacutech vazeb Sniacuteženiacute kapacity kontaminaciacute může byacutet do určiteacute miacutery reaktivovaacuteno teplem Dalšiacute probleacutemy spojeneacute s hydridy kovů souvisiacute s jejich strukturou Typickeacute provedeniacute se naleacutezaacute ve formě zrniteacute granulovaneacute nebo praacuteškoveacute struktury kteraacute tak poskytuje co největšiacute plochu pro kontakt s plynem Tyto čaacutestice jsou naacutechylneacute na abrazi jež u obojiacuteho vede k redukci jejich efektivity a může veacutest k ucpaacuteniacute profilu přepouštěciacutech ventilů nebo trubek Žaacutednyacute specifickyacute materiaacutel nemaacute vynikajiacuteciacute vlastnosti ve všech požadovanyacutech směrech (vysokaacute kapacita absorpce vysokaacute hustota energie malaacute potřeba tepla a niacutezkeacute naacuteklady) Z tohoto důvodu se použiacutevaacute směs různyacutech vysoko a niacutezkoteplotniacutech hydridů kdy se vyrovnaacutevajiacute vyacutehody a nevyacutehody různyacutech typů při různyacutech podmiacutenkaacutech provozu [12]

43

Obr 17 Vlastnosti vybranyacutech hydridů [8]

331 Hydridy alkalickyacutech zemin

Noveacute variace hydridů ktereacute nabiacutezejiacute vyacutehodnějšiacute vlastnosti oproti předchoziacutem metodaacutem se tyacutekajiacute peletizovanyacutech sodiacutekovyacutech drasliacutekovyacutech a lithnyacutech složek Tyto složky hydridů reagujiacute s vodou za vyacutevinu vodiacuteku bez nutnosti dodaacutevaacuteniacute tepelneacute energie Nejpokročilejšiacute komerčně vyviacutejenyacute systeacutem vyžaduje použitiacute hydroxidu sodneacuteho jenž je hojně k dispozici jakožto odpadniacute materiaacutel z průmysloveacute vyacuteroby papiacuteru plastu z ropneacuteho průmyslu a jinyacutech Hydroxid sodnyacute je převeden na hydrid sodnyacute(NaH) za přiacutevodu tepla naacutesledovně

2NaOH + tepenerrarr 2NaH +O2

NaH potom může byacutet peletizovaacuten tyto pelety se pokryacutevajiacute vodě-odolnyacutem plastem nebo povlakem Sodiacutek se tak staacutevaacute neaktivniacutem a lze ho potom jednoduše transportovat Pro uvolněniacute vodiacuteku je ochrannyacute povlak rozrušovaacuten a naacutesleduje reakce s vodou

NaH (s)+ H2O(l)rarr NaOH (l)+ H2 (g) Tato reakce probiacutehaacute poměrně rapidně a vodiacutek z teacuteto reakce maacute tlak kolem 8-10 bar Hydroxid sodnyacute lze ziacuteskat zpět a může byacutet opětovně použiacutevaacuten v procesu Vyacutehoda tohoto uchovaacutevaacuteniacute vodiacuteku oproti ostatniacutem hydridům je absence potřeby tepla pro uvolněniacute vodiacuteku Tento proces je relativně jednoduchyacute a z toho plyne i jednoduššiacute konstrukce takoveacuteho procesniacuteho zařiacutezeniacute Nevyacutehodou tohoto procesu jsou komplikace spojeneacute s mechanickyacutem rozrušovaacuteniacutem pelet kontrolovanyacutem způsobem a naacutesledneacute využitiacute odpadniacutech materiaacutelů kteryacute obklopuje odpadniacute hydroxid sodnyacute a použiteacute plastoveacute obaly pelet Proces využiacutevajiacuteciacute kombinaci generovaacuteniacute vodiacuteku a skladovaacuteniacute pro jednoraacutezoveacute použitiacute Stejně jako u elektrolyacutezy je vodiacutek

44

v hydridu sodneacutem nositel energie ne však jejiacute zdroj Hydroxid sodnyacute se nachaacuteziacute v niacutezkeacutem energetickeacutem stavu a musiacute byacutet přenesen do vyššiacuteho stavu pomociacute dodaacuteniacute tepelneacute energie

34 Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku

V současnosti se se zkoumajiacute dalšiacute skladovaciacute metody vodiacuteku jako je adsorpce na uhliacutekovyacutech poreacutezniacutech strukturaacutech skleněneacute mikrosfeacuterya oxidačniacute technologie železa Tyto metody jsou použiacutevaacuteny pouze laboratorněa jejich nasazeniacute do komerčniacute sfeacutery ještě nelze v bliacutezkeacute budoucnosti očekaacutevat

341 Uhliacutekovaacute adsorpce

Uhliacutekovaacute adsorpce je založena na slučitelnosti uhliacuteku a vodiacutekovyacutech atomů Vodiacutek je čerpaacuten do kontejnerů se substraacutetem malyacutech karbonovyacutech čaacutestic kde je vaacutezaacuten molekulaacuterniacutemi silami Tato metoda silně připomiacutenaacute metodu skladovaacuteniacute v hydridech kovů je ovšem zdokonalena v oblasti niacutezkyacutech teplot kde se uvažuje rozdiacutel mezi tekutyacutem vodiacutekem a chemickou vazbou Uhliacutek adsorbuje při teplotaacutech -185 až -85 degC a tlaciacutech 21 až 48 bar Velikost adsorpce uhliacutekem se zvyšuje s nižšiacutemi teplotami Teplo při překročeniacute teplotniacute hranice 150degC uvolňuje vodiacutek

342 Technologie uhliacutekovyacutech nanovlaacuteken

Laboratorniacute vyacutesledky ukazujiacute tuto metodu jako velmi nadějnou pro budouciacute použitiacute Vodiacutek uskladněnyacute ve sloučenině může dosaacutehnout až 70 celkoveacute vaacutehy sloučeniny Typickeacute hydridy kovů jsou schopny přijmout 2-4 vaacutehy sloučeninyv hmotnostně těžkeacute struktuře Pokud by tyto vyacutesledky byly reaacutelně prokaacutezaacuteny potom vozidla použiacutevajiacuteciacute vodiacutekoveacute palivoveacute člaacutenky budou schopny ujet až 5000 km bez potřeby doplněniacute paliva Tiacutem by se vyřešil probleacutem chybějiacuteciacute infrastruktury distribuce vodiacuteku Takoveacute palivo by se mohlo skladovat ve skladištiacutech nebo posiacutelat prostřednictviacutem přepravniacutech služeb

343 Skleněneacute mikrosfeacutery Systeacutemy skleněnyacutech mikrosfeacuter použiacutevajiacute maleacute skleněneacute sfeacutery (kuličky)s průměrem menšiacutem než 100 microm jež jsou schopny odolat tlakům až 1 000 MPa Vodiacutek je do nich nuceně vhaacuteněn velmi vysokyacutemi tlaky Jakmile je vodiacutek uskladněn kuličky je možno ponechat v podmiacutenkaacutech okolniacuteho prostřediacute bez ztraacutet vodiacuteku Přivedeniacute nevelkeacuteho množstviacute tepelneacute energie se uvolňuje vodiacutek zpět Pro zajištěniacute zvyacutešeniacute rychlosti uvolňovaacuteniacute vodiacuteku ze skleněnyacutech mikrosfeacuter se provaacutediacute experimenty i formou drceniacute kuliček [12]

344 Oxidace železa

Oxidace železa je proces při ktereacutem se vodiacutek vytvaacuteřiacute reakciacute poacuteroviteacuteho železa (surovaacute ingredience pro ocelaacuteřskeacute pece) s vodniacute paacuterou Reakce potom lze popsat naacutesledujiacuteciacutem rovnicemi

Fe+ H2Oharr FeO + H2

45

3FeO + H2Oharr Fe3O4 + H2

Vedlejšiacutem produktem tohoto procesu je rez Jakmile železo plně zkoroduje je potřeba ho vyměnit za noveacute Produkty reakce jsou přeměněny na původniacute formu Paacuteru a tepelnou energii potřebnou pro průběh reakce lze ziacuteskaacutevat pomociacute spalovaciacute jednotky nebo v přiacutepadě palivovyacutech člaacutenků z jejich chladiacuteciacuteho okruhu (meacutedia) Ačkoliv je ocel levnaacute jejiacute hmotnost činiacute tuto metodu nevyacutehodnou Efektivniacute hmotnost paliva vůči celkoveacute hmotnosti systeacutemu uskladněniacute je 45 Vlastniacute reakce probiacutehaacute při teplotě 80 - 200 degC

46

4Palivoveacute člaacutenky

Za objevitele principu palivoveacuteho člaacutenku je považovaacuten Sir William Grove přičemž datum objevu se datuje do roku 1839 Během konce 19 a počaacutetku 20 stoletiacute se vědci pokoušeli objevit noveacute typy palivovyacutech člaacutenků kombinujiacutece přitom různaacute paliva a elektrolyty Avšak většinou bezvyacutesledně Rozvoj v teacuteto oblasti nastal až kolem poloviny 20 stoletiacute v důsledku snah najiacutet alternativniacute zdroje pro vesmiacuterneacute lety Gemini a Apollo Ale i tyto pokusy byly zpočaacutetku neuacutespěšneacute Až roku 1959 předvedl Francis T Bacon prvniacute plně fungujiacuteciacute palivovyacute člaacutenek Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (PEM FC ndash Proton Exchange Membrane Fuel Cells) byly poprveacute použity společnostiacute NASA v roce 1960 jako součaacutest vesmiacuterneacuteho programu Gemini Tyto palivoveacute člaacutenky využiacutevaly jako reakčniacute plyny čistyacute kysliacutek a čistyacute vodiacutek Byly maleacute a draheacute (a tedy komerčně neefektivniacute) Zaacutejem NASA stejně jako energetickaacute krize v roce 1973 zvyacutešili zaacutejem o alternativniacute druhy ziacuteskaacutevaacuteniacute energie a tiacutem došlo k překotneacutemu vyacutevoji v oblasti palivovyacutech člaacutenků Předevšiacutem diacuteky tomuto tlaku našly tyto člaacutenky uacutespěšneacute uplatněniacute v různorodyacutech aplikaciacutech

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků Palivoveacute člaacutenky zpracovaacutevajiacute pouze čistyacute vodiacutek Teoreticky pracujiacute bez škodlivyacutech laacutetek Produktem reakce jsou kromě elektrickeacute energie takeacute vodaa teplo V přiacutepadě že palivoveacute člaacutenky využiacutevajiacute plynnou reformačniacute směs bohatou na vodiacutek vznikajiacute škodliveacute zplodiny avšak těchto zplodin je meacuteně než těch ktereacute vznikajiacute v přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem využiacutevajiacuteciacutech jako zdroj energie konvenčniacute fosilniacute paliva Motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem ktereacute spalujiacute směsi chudeacute na vodiacutek a vzduch jsou rovněž schopneacute dosaacutehnout niacutezkeacute hladiny škodlivin avšak u těchto strojů dochaacuteziacute současně ke spalovaacuteniacute mazaciacuteho oleje což maacute za naacutesledek naacuterůst škodlivyacutech emisiacute Palivoveacute člaacutenky pracujiacute s vyššiacute termodynamickou uacutečinnostiacute než tepelneacute motory Tepelneacute motory přeměňujiacute chemickou energii na teplo prostřednictviacutem spalovaacuteniacute a využiacutevajiacute toho že teplo konaacute praacuteci Se zvyacutešeniacutem teploty horkeacuteho plynu vstupujiacuteciacuteho do motoru a se sniacuteženiacutem teploty chladneacuteho plynu po expanzi se zvyacutešiacute i termodynamickaacute uacutečinnost Teoreticky lze tedy navyacutešit horniacute teplotu libovolnyacutem množstviacutem tepla dle požadovaneacute termodynamickeacute uacutečinnosti zatiacutemco dolniacute hranice teploty nemůže nikdy klesnout pod teplotu okoliacute Avšak ve skutečnyacutech tepelnyacutech motorech je horniacute teplota limitovaacutena použityacutemi materiaacutely Kromě toho motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem majiacute vstupniacute teplotu rovnu pracovniacute teplotě kteraacute je mnohem nižšiacute než teplota vzplanutiacute Palivoveacute člaacutenky nepoužiacutevajiacute proces spalovaacuteniacute jejich uacutečinnost neniacute spjata s jejich maximaacutelniacute provozniacute teplotou Vyacutesledkem je že uacutečinnost přeměny energie může byacutet vyacuterazně většiacute než skutečnaacute reakce spalovaacuteniacute Kromě vyššiacute relativniacute tepelneacute uacutečinnosti palivoveacute člaacutenky vykazujiacute takeacute vyššiacute uacutečinnost oproti tepelnyacutem motorům při jejich čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky nevykazujiacute ostreacute propady v uacutečinnosti jak je tomu v přiacutepadě velkyacutech elektraacuteren Tepelneacute motory dosahujiacute nejvyššiacute uacutečinnosti při praacuteci v navrhovaneacutem provozniacutem stavu a vykazujiacute rapidniacute poklesy uacutečinnosti při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky majiacute vyššiacute uacutečinnost při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute než při zatiacuteženiacute plneacutem Takeacute změny uacutečinnosti jsou v celeacutem provozniacutem rozsahu menšiacute Palivoveacute člaacutenky vykazujiacute dobreacute dynamickeacute charakteristiky Stejně jako baterie jsou takeacute palivoveacute člaacutenky pevnaacute statickaacute zařiacutezeniacute kteraacute reagujiacute na změny v elektrickeacute

47

zaacutetěži okamžitě změnami chemickyacutemi Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute na čistyacute vodiacutek majiacute vynikajiacuteciacute celkovou odezvu Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute s reformaacutetem (nejčastěji palivo na baacutezi uhlovodiacuteků) a využiacutevajiacute palubniacute reformer mohou miacutet tuto odezvu pomalou zvlaacuteště při použitiacute techniky parniacuteho reformingu (metoda zpracovaacuteniacute reformaacutetu nejčastěji za vzniku vodiacuteku a oxidů uhliacuteku) V přiacutepadě použitiacute palivovyacutech člaacutenků jako generaacutetorů elektrickeacute energie vyžadujiacute tyto člaacutenky meacuteně energetickyacutech přeměn než tepelneacute motory Jestliže budou použity jako zdroje mechanickeacute energie potom požadujiacute stejneacute množstviacute přeměn ačkoliv jednotliveacute transformace se odlišujiacute od těch jež probiacutehajiacute v přiacutepadě tepelnyacutech motorů Palivoveacute člaacutenky jsou vhodneacute pro mobilniacute aplikace pracujiacuteciacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech (typickeacute jsou teploty nižšiacute než 100 degC) Provoz při nižšiacutech teplotaacutech se vyznačuje většiacute bezpečnostiacute a kraacutetkyacutem zahřiacutevaciacutem časem Naviacutec termodynamickaacute uacutečinnost elektrochemickeacute reakce je podstatně vyššiacute než uacutečinnost přeměny energie chemickyacutech vazeb na energii elektrickou pomociacute tepelnyacutech motorů Nevyacutehodou se však jeviacute obtiacutežnyacute odvod odpadniacuteho tepla kteryacute musiacute byacutet zajištěn většiacutem chladiacuteciacutem systeacutemem a i přes vysokeacute provozniacute teploty pomalyacute proces elektrochemickeacute reakce Palivoveacute člaacutenky mohou byacutet použity v kogeneračniacutech aplikaciacutech Kromě elektrickeacute energie produkujiacute palivoveacute člaacutenky takeacute čistou horkou vodu a teplo Palivoveacute člaacutenky nevyžadujiacute dobiacutejeniacute avšak musiacute mu byacutet dodaacutevaacuteno palivo což je ovšem mnohem rychlejšiacute než dobiacutejeniacute bateriiacute Mohou takeacute poskytovat většiacute rozsah (delšiacute doba poskytovaacuteniacute elektrickeacute energie) v zaacutevislosti na velikost naacutedrže s palivem a oxidantem Palivoveacute člaacutenky majiacute niacutezkeacute opotřebeniacute a vysokou životnost (někteřiacute vyacuterobci udaacutevajiacute až desetitisiacutece hodin) Nejsou přiacutetomny pohybliveacute čaacutesti z čehož vyplyacutevaacute tichyacute chod palivovyacutech člaacutenků a schopnost snaacutešet i značnaacute přetiacuteženiacute Proti klasickyacutem elektrochem akumulaacutetorům použiacutevanyacutem v současnyacutech elektromobilech majiacute palivoveacute člaacutenky vyššiacute dojezdovou vzdaacutelenost Vyřazeneacute palivoveacute člaacutenky na rozdiacutel od akumulaacutetorů nezatěžujiacute životniacute prostřediacute těžkyacutemi kovy

42 Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků

Vodiacutek kteryacute je ekologicky prospěšnyacute se velmi obtiacutežně vyraacutebiacute a uskladňuje Současneacute vyacuterobniacute procesy jsou draheacute a energeticky naacuteročneacute naviacutec často vychaacutezejiacute z fosilniacutech paliv Efektivniacute infrastruktura dodaacutevky vodiacuteku nebyla ještě ani vytvořena Systeacutemy uskladňujiacuteciacute plynnyacute vodiacutek se vyznačujiacute obrovskyacutemi rozměry a obtiacutežnyacutem přizpůsobeniacutem energeticky niacutezkeacute objemoveacute hustotě vodiacuteku Systeacutemy uskladňujiacuteciacute tekutyacute vodiacutek jsou mnohem menšiacute a lehčiacute ovšem musiacute byacutet provozovaacuteny za kryogenniacutech teplot Možnost představuje takeacute uskladněniacute vodiacuteku pomociacute uhlovodiacuteků a alkoholů odkud může byacutet uvolňovaacuten dle požadavku diacuteky palubniacutemu reformeru Je pravdou že toto uskladněniacute manipulaci s vodiacutekem zjednodušiacute avšak některeacute ekologickeacute vyacutehody budou nenaacutevratně ztraceny (praacutevě diacuteky využitiacute uhlovodiacuteků či alkoholů a s tiacutem souvisejiacuteciacute emise COx) Palivoveacute člaacutenky požadujiacute čisteacute palivo bez specifickyacutech znečišťujiacuteciacutech laacutetek Tyto laacutetky jako jsou siacutera a uhliacutekoveacute sloučeniny či zbytkovaacute tekutaacute paliva (v zaacutevislosti na typu palivoveacuteho člaacutenku) mohou poškodit katalyzaacutetor palivoveacuteho člaacutenku čiacutemž přestaacutevaacute samotnyacute člaacutenek fungovat V přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem nezpomaluje ani jedna z těchto škodlivyacutech laacutetek samotnyacute proces spalovaacuteniacute

48

Palivoveacute člaacutenky se hodiacute pro automobiloveacute aplikace Ty jsou typickeacute svyacutem požadavkem platinoveacuteho katalyzaacutetoru pro podporu reakce při ktereacute se vyraacutebiacute elektrickaacute energie Platina je vzaacutecnyacute kov a je velmi drahaacute Za diacutelčiacute nevyacutehody lze poklaacutedat i skutečnost že vyacutekon odebiacuteranyacute z 1 cm2 elektrod je zatiacutem niacutezkyacute Palivoveacute člaacutenky produkujiacute v průběhu vyacuteroby elektrickeacute energie čistou vodu Většina palivovyacutech člaacutenků vhodnyacutech pro automobiloveacute aplikace takeacute využiacutevaacute jako reaktanty vlhkeacute plyny I nepatrnaacute zbytkovaacute voda v palivoveacutem člaacutenku může přitom způsobit nevratnou zničujiacuteciacute expanzi v přiacutepadě vystaveniacute mrazu Při provozu vyraacutebějiacute palivoveacute člaacutenky dostatečneacute teplo zabraňujiacuteciacute mrznutiacute při okolniacutech teplotaacutech pod bodem mrazu V přiacutepadě že jsou za mraziveacuteho počasiacute palivoveacute člaacutenky vypnuty musiacute byacutet trvale vyhřiacutevaacuteny či z nich musiacute byacutet kompletně odstraněna zbytkovaacute voda před tiacutem než člaacutenek zmrzne Z tohoto důvodu musiacute byacutet dopravniacute prostředek převezen do zahřiacutevaciacuteho zařiacutezeniacute nebo je nezbytně nutneacute instalovat v jeho bliacutezkosti horkovzdušneacute ohřiacutevaciacute zařiacutezeniacute Palivoveacute člaacutenky vyžadujiacute kontinuaacutelniacute odstraňovaniacute zplodin chemickyacutech reakciacute jejichž množstviacute zaacutevisiacute na velikosti odebiacuteraneacuteho proudu (odčerpaacutevaacuteniacute vody vodniacute paacutery či produktů oxidace) vyžadujiacute takeacute složiteacute řiacutediacuteciacute systeacutemy a uvedeniacute do provozu může trvat několik minut

43 Princip funkce palivovyacutech člaacutenků

Palivovyacute člaacutenek je ve sveacute podstatě zařiacutezeniacute ktereacute produkuje elektřinu po celou dobu kdy je mu dodaacutevaacuteno palivo V palivoveacutem člaacutenku dochaacuteziacute ke transformaci uloženeacute chemickeacute energie paliva do elektrickeacute energie Rozdiacutel mezi spalovaciacutem motorem a palivovyacutem člaacutenkem je daacuten rozdiacutelnyacutem způsobem přeměny energie Ve spalovaciacutem motoru dochaacuteziacute ke spaacuteleniacute paliva naacutesledneacutemu uvolněniacute tepla Teplo je daacutele přeměněno na mechanickou energii a teprve mechanickaacute energie je přeměněna na energii elektrickou Každaacute přeměna v tomto cyklu maacute za naacutesledek určitou ztraacutetu energie V kontrastu s tiacutemto cyklem palivoveacute člaacutenky fungujiacute velmi jednoduše a efektivně K produkci elektřiny dochaacuteziacute pomociacute chemickeacute reakce V jednoducheacutem palivoveacutem člaacutenku probiacutehajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 rarr 2H + + 2eminus

12O2 + 2H

+ + 2eminus rarr H2O

Protony prochaacuteziacute elektrolytem a na katodě se spojiacute s kysliacutekem nejčastěji vzdušnyacutem a utvořiacute tak vodu Elektrony jsou směrovaacuteny externiacutem okruhem kde vytvaacuteřejiacute stejnosměrneacute proud Tyto zařiacutezeniacute mohou dosaacutehnout uacutečinnost až 40 Palivoveacute člaacutenky jsou schopny pracovat nejen s čistyacutem vodiacutekem ale takeacute s reformovanyacutemi palivy jako je metan jelikož v nich neniacute oxid uhličityacute Vyacutekon systeacutemu palivovyacutech člaacutenků může byacutet popsaacuten zaacutevislostiacute proudu a napětiacute Je prezentovaacuten ve formě grafu nazvanyacutem proud-napěťovaacute křivka Vyacutestupniacute napětiacute je funkciacute proudu normalizovaneacute plochou člaacutenku udaacutevajiacuteciacute proudovou hustotu Ideaacutelniacute palivovyacute člaacutenek by dodal jakeacutekoliv množstviacute proudu při udrženiacute konstantniacuteho napětiacute určeneacuteho termodynamikou procesu V opravdoveacutem světě je skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute nižšiacute než termodynamicky určeneacute napětiacute ideaacutelniacute tento rozdiacutel je způsoben nevyhnutelnyacutemi ztraacutetami v systeacutemu Ztraacutety jsou kompenzovaacuteny dodaniacutem vyššiacuteho proudu palivovyacutem člaacutenkem

49

Čiacutem většiacute množstviacute proudu je potřeba ziacuteskat z palivovyacutech člaacutenků tiacutem většiacute jsou nevratneacute ztraacutety způsobujiacuteciacute pokles vyacutestupniacuteho napětiacute Existujiacute 3 hlavniacute typy ztraacutet v palivovyacutech člaacutenciacutech

1 Aktivačniacute ztraacutety - v důsledku elektrochemickeacute reakce2 Odporoveacute ztraacutety - v důsledku iontoveacuteho a elektronoveacuteho vedeniacute3 Koncentračniacute ztraacutety - v důsledku pohybu hmoty

Vyacutestupniacute napětiacute je tedy funkciacute termodynamicky předpoklaacutedaneacuteho napětiacute a jednotlivyacutech zraacutet a může byacutet vyjaacutedřeno naacutesledovně

V = Ethermo minusηakt minusηodp minusηkonc

kde V - skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute Ethermo - termodynamicky určeneacute napětiacute ηakt - aktivačniacute ztraacutety ηodp - odporoveacute ztraacutety ηkonc - koncentračniacute ztraacutety Vyacutekon palivoveacuteho člaacutenku je pak určen podle vztahu

P = i sdotVkde P - vyacutekon [W] i - proudovaacute hustota [Acm2] V - napětiacute [V] Dalšiacute charakteristikou palivoveacuteho člaacutenku je křivka vyacutekonoveacute hustoty kteraacute ukazuje vyacutekonovou hustotu dodanou palivovyacutem člaacutenkem jako funkci proudoveacute hustoty Schematicky je tato zaacutevislost znaacutezorněna na obraacutezku 18

Obr 18 Křivka vyacutekonoveacute hustoty [8]

Vyacutekonovaacute hustota palivoveacuteho člaacutenku roste s rostouciacute proudovou hustotou dosaacutehne maxima a poteacute dochaacuteziacute k poklesu při staacutele vysokeacute proudoveacute hustotě Palivoveacute člaacutenky jsou navrhovaacuteny pro praacuteci v nebo těsně pod maximem vyacutekonoveacute hustoty Při proudoveacute hustotě pod maximem vyacutekonoveacute hustoty se zlepšuje uacutečinnost

50

napětiacute ale klesaacute vyacutekonovaacute hustota Při proudoveacute hustotě vyššiacute než je maximum vyacutekonoveacute hustotě klesaacute uacutečinnost napětiacute a vyacutekonovaacute hustota Potenciaacutel systeacutemu vykonaacutevat elektrickou praacuteci je měřen pomociacute napětiacute normaacutelniacuteho stavu vratneacuteho napětiacute je

E0 = minus Δgrxn0

n sdotFkde Δg0rxn je změna Gibssovy volneacute energie n počet molů přenesenyacutech elektronů F Faradayova konstanta Při standardniacutech podmiacutenkaacutech je maximaacutelniacute napětiacute ziacuteskaneacute pro vodiacuteko-kysliacutekoveacute palivo rovnu 123 V Pro ziacuteskaacuteniacute použitelneacuteho napětiacute jsou tak palivoveacute člaacutenky spojovaacuteny do seacuteriiacute Vratneacute napětiacute palivoveacuteho člaacutenku vysoce na provozniacutech podmiacutenkaacutech jako je teplota tlak a chemickaacute aktivita Korelace napětiacute a teploty je reprezentovaacutena naacutesledujiacuteciacute rovniciacute

dEdT

= Δsn sdotF

kde Δs je změna entropie pro palivoveacute člaacutenky je entropie negativniacute vratneacute napětiacute maacute potom tendenci klesat s rostouciacute teplotou Napětiacute se měniacute se změnou tlaku podle vztahu

dEdp

= minus Δvn sdotF

kde Δv je změna objemu Změna vratneacuteho napětiacute s tlakem je spojena se změnou objemu reakce Pokud je změna objemu reakce zaacutepornaacute potom napětiacute roste s rostouciacutem tlakem Tlak a teplota majiacute minimaacutelniacute vliv na vratneacute napětiacute Chemickaacute aktivita maacute vyacuteznamnějšiacute vliv kteryacute se daacute určit pomociacute Nernstovi rovnice

E = E0 minus R sdotTn sdotF

lnaprodviprodareakviprod

Nernstova rovnice uvaacutediacute vztah mezi ideaacutelniacutem standardniacutem potenciaacutelem E0

pro reakci ve člaacutenku ideaacutelniacute rovnovaacutehou potenciaacutelu E při jinyacutech teplotaacutech a parciaacutelniacutem tlaku reaktantů a produktu Jakmile je znaacutem ideaacutelniacute standardniacute potenciaacutel lze určit i ideaacutelniacute napětiacute pro různeacute teploty a tlaky podle Nernstovi rovnice Z teacuteto rovnice pro vodiacutekovou reakci plyne že ideaacutelniacute potenciaacutel člaacutenku při daneacute teplotě může byacutet zvyacutešen pomociacute provozu za vyššiacuteho tlaku reaktantů Nernstova rovnice plně nevysvětluje vliv teploty

44 Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků

Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je funkce napětiacute člaacutenku Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je

ε termo =ΔGΔH

kde ΔG je Gibbsova volnaacute energie ΔH je entalpie Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku určena z tohoto vztahu se rovnaacute 83 Skutečneacute napětiacute při provozu palivoveacuteho člaacutenku je menšiacute než reversibilniacute potenciaacutel to maacute za naacutesledek že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vždy nižšiacute než teoretickaacute Tento jev je způsoben ztraacutetami při využitiacute paliva a ztraacutetami napětiacute Skutečnou uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku můžeme určit ze vztahu

51

ε skut = ε termo sdotεnapeti sdotε palivo

kde εtermo je reversibilniacute termodynamickaacute uacutečinnost člaacutenku εnapeti je uacutečinnost napětiacute a εpalivo ztraacutety při utilizaci paliva Uacutečinnost napětiacute zahrnuje ztraacutety způsobeny nevratnyacutem kinetickyacutem efektem v palivoveacutem člaacutenku Je to poměr mezi provozniacutem napětiacute palivoveacuteho člaacutenku V a termodynamickeacuteho reversibilniacuteho napětiacute člaacutenku E

εnapeti =VE

Uacutečinnost utilizace paliva vyjadřuje fakt že ne všechno palivo dodaneacute do člaacutenku se bude podiacutelet na elektrochemickeacute reakci Uacutečinnost je poměr paliva použiteacuteho na produkci daneacuteho množstviacute elektrickeacute energie ku celkoveacutemu množstviacute paliva dodaneacuteho do palivoveacuteho člaacutenku kde i je proud generovaacuten palivovyacutem člaacutenkem a vpalivo je rychlost dodaacutevaacuteniacute paliva do člaacutenku [molsec]

ε palivo =i n sdotFvpalivo

Kombinaciacute vztahů pro jednotliveacute uacutečinnosti dostaneme naacutesledujiacuteciacute vztah pro skutečnou uacutečinnost člaacutenku

ε skut =Δg

ΔhHHVsdotVEsdot i n sdotFvpalivo

Na obraacutezku 19 je porovnaacuteniacute uacutečinnostiacute jednotlivyacutech metod vyacuteroby elektrickeacute energie Z obraacutezku je jasně patrneacute že celkovaacute uacutečinnost palivovyacutech člaacutenku převyšuje ostatniacute způsoby vyacuteroby elektrickeacute energie

Obr 19 Uacutečinnost vyacuteroby elektrickeacute energie [8]

52

45Typy palivovyacutech člaacutenků

Jednotliveacute typy palivovyacutech člaacutenků se lišiacute předevšiacutem typem použiteacuteho elektrolytu Typ elektrolytu určuje provozniacute teplotu jež se pro různeacute typy palivovyacutech člaacutenků vyacuterazně lišiacute

451 Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech vyššiacutech než 600 degC (1100degF) Tyto vysokeacute teploty umožňujiacute samovolnyacute vnitřniacute reforming lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv jako je metan ndash na vodiacutek a uhliacutek za přiacutetomnosti vody Reakce probiacutehajiacuteciacute na anodě za podpory nikloveacuteho katalyzaacutetoru poskytuje dostatek tepla požadovaneacuteho pro proces parniacuteho reformingu Vnitřniacute reforming odstraňuje potřebu samostatneacuteho zařiacutezeniacute na zpracovaacuteniacute paliva a umožňuje palivoveacutemu člaacutenku zpracovaacutevat i jinaacute paliva než čistyacute vodiacutek Tyto vyacuteznamneacute vyacutehody vedou k naacuterůstu celkoveacute uacutečinnosti teacuteměř o 15 Během naacutesledujiacuteciacute elektrochemickeacute reakce je uvolňovaacutena chemickaacute energie kterou palivovyacute člaacutenek zpracovaacutevaacute Tato chemickaacute energie pochaacuteziacute z reakce mezi vodiacutekem a kysliacutekem při ktereacute vznikaacute voda Z reakce mezi oxidem uhelnatyacutem a kysliacutekem jejiacutemž produktem je oxid uhličityacute Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky produkujiacute takeacute vysokopotenciaacutelniacute odpadniacute teplo jež může byacutet použito pro uacutečely kogenerace Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky reagujiacute velmi snadno a bez potřeby drahyacutech katalyzaacutetorů z ušlechtilyacutech kovů Množstviacute energie uvolněneacute elektrochemickou reakciacute klesaacute s rostouciacute provozniacute teplotou člaacutenku Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky jsou naacutechylneacute na materiaacuteloveacute poruchy Maleacute množstviacute materiaacutelu je schopno po dlouho dobu při vysokyacutech teplotaacutech pracovat bez degradace Vysokoteplotniacute provoz neniacute vhodnyacute pro rozsaacutehleacute vyacuteroby nebo pro aplikace kde je požadovaacuten rychlyacute start zařiacutezeniacute Současneacute aplikace teacuteto metody se zaměřujiacute na stacionaacuterniacute elektraacuterenskeacute zdroje Nejvyacuteznamnějšiacutemi vysokoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů tzv MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů využiacutevajiacute elektrolytu kteryacute je schopen přenaacutešet uhličitanoveacute ionty CO3 2- od katody k anodě Elektrolyt se sklaacutedaacute z roztaveneacute směsi uhličitanu lithia a uhličitanu draselneacuteho Směs je udržovaacutena pomociacute kapilaacuterniacutech sil v keramickeacute podpůrneacute mřiacutežce z hlinitanu litneacuteho Při provozniacute teplotě se struktura elektrolytu změniacute na stav podobnyacute pastě kteraacute umožňuje uacuteniky plynů na okrajiacutech člaacutenku Tyto palivoveacute člaacutenky pracujiacute s teplotami okolo 650 degC a tlaky v rozmeziacute relativniacutech hodnot 1 až 10 barů Každyacute člaacutenek je schopen produkovat stejnosměrneacute napětiacute mezi 07 a 1 V Princip fungovaacuteniacute tohoto člaacutenku je na obraacutezku 20

53

Obr 20 Scheacutema člaacutenku MCFC [8]

Palivoveacute člaacutenky na baacutezi tekutyacutech uhličitanů jsou schopneacute provozu při zaacutesobovaacuteniacute jak čistyacutem vodiacutekem tak lehkyacutemi uhlovodiacutekovyacutemi palivy Palivo napřiacuteklad metan je dopraveno na anodu za přiacutetomnosti vody přijme teplo a podstoupiacute reakci parniacuteho reformingu

CH 4 + H2Orarr 3H2 +CO Pokud bude jako palivo použit jinyacute lehkyacute uhlovodiacutek potom se může počet molekul vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho změnit ale produkty reakce jsou v podstatě vždy stejneacute Reakce na anodě molekuly vodiacuteku s uhličitanovyacutem iontem probiacutehaacute bez ohledu na druh použiteacuteho paliva a vypadaacute naacutesledovně

H2 +CO32minus rarr H2O +CO2 + 2e

minus

Reakce probiacutehajiacuteciacute na katodě a to kysliacuteku s oxidem uhličityacutem probiacutehaacute opět bez ohledu na druhu paliva

O2 + 2CO2 + 4eminus rarr 2CO3

2minus

Iont CO3 2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě Dochaacuteziacute k reakci iontu CO3 2- jak s vodiacutekem tak oxidem uhelnatyacutem Elektrony prochaacutezejiacute přes elektrickou zaacutetěž nachaacutezejiacuteciacute se ve vnějšiacute čaacutesti elektrickeacuteho obvodu od anody ke katodě Celkovaacute reakce na člaacutenku je tedy

2H2 +O2 rarr 2H2O Vyacuteslednaacute reakce oxidu uhelnateacuteho ke ktereacute dochaacuteziacute pouze v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Produktem palivoveacuteho člaacutenku bez ohledu na palivo je voda V přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva je kromě vody produktem takeacute oxid uhličityacute Pro zajištěniacute plynulosti zajištěniacute kvality elektrochemickeacute reakce musiacute byacutet oba produkty plynule odvaacuteděny z katody člaacutenku

54

Mezi hlavniacute vyacutehody palivovyacutech člaacutenků s tekutyacutemi uhličitany patřiacute podpora samovolneacuteho vnitřniacuteho reformingu lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv vyacuteroba vysoko-potenciaacutelniacuteho tepla Samotnaacute reakce nepotřebuje katalyzaacutetory z ušlechtilyacutech kovů maacute velmi dobrou kinetiku a uacutečinnost Palivoveacute člaacutenky ovšem takeacute traacutepiacute mnoho nevyacutehod a provozniacutech omezeniacute Je potřeba vyvinou materiaacutely odolneacute vůči korozi při vysokyacutech teplotaacutech s malyacutem součinitelem objemoveacute roztažnosti ktereacute jsou vysoce mechanicky a tepelně odolneacute a jejichž vyacuteroba je technicky možnaacute Koroze je největšiacute probleacutem těchto člaacutenků Koroze způsobuje oxidaci niklu katody a jeho rozpuštěniacute v elektrolytu to může způsobit zhoršeniacute stavu separaacutetoru vysušeniacute či zaplaveniacute elektrod Korozniacute vlivy způsobujiacute pokles vyacutekonu a zkraacuteceniacute životnosti člaacutenku Rozměrovaacute nestaacutelost způsobenaacute objemovou roztažnostiacute může způsobit zničeniacute elektrod ktereacute změniacute povrch aktivniacute oblasti to může miacutet za naacutesledek ztraacutetu kontaktu a vysokyacute odpor mezi jednotlivyacutemi čaacutestmi člaacutenku Tekutyacute elektrolyt přinaacutešiacute probleacutemy s manipulaciacute člaacutenku Největšiacute nevyacutehodou je dlouhaacute doba potřebnaacute k rozběhu tento fakt tyto člaacutenky odsoudil do pozice použiacutevaacuteniacute pouze ve stacionaacuterniacutech aplikaciacutech

4511 Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů SOFC

Palivoveacute člaacutenky použiacutevajiacute elektrolyt schopnyacute veacutest kysliacutekoveacute ionty O-2 od katody k anodě je to opačnyacute směr než u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků jež vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je tvořen z pevnyacutech oxidů ktereacute majiacute podobu keramiky obvykle zirkonia (stabilizovaneacuteho dalšiacutemi oxidy kovů vzaacutecnyacutech zemin jako je ytrium) Člaacutenky jsou sestavovaacuteny postupnyacutem uklaacutedaacuteniacutem různyacutech vrstev materiaacutelu Běžnaacute uspořaacutedaacuteniacute použiacutevajiacute trubicoveacute či plocheacute tvary jednotlivyacutech člaacutenků Tvary ovlivňujiacute povrch člaacutenku a takeacute těsněniacute člaacutenku a to nejen v důsledku průsaku mezi kanaacutelky paliva a oxidantu ale takeacute vlivem elektrickeacuteho zapojeniacute jednotlivyacutech člaacutenků do bloku Pro materiaacutel elektrod mohou byacutet použity kovy typu niklu a kobaltu Palivoveacute člaacutenky SOFC pracujiacute s teplotami okolo 1000degC a relativniacutemi tlaky kolem 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 08 až 10 V

Obr 21 Scheacutema SOFC [18]

55

Palivoveacute člaacutenky mohou stejně jako MCFC člaacutenky pracovat jak s čistyacutem vodiacutekem tak uhlovodiacutekovyacutemi palivy Vstupniacute palivo se potom sklaacutedaacute jak z vodiacuteku tak z oxidu uhelnateacuteho Reakce na anodě jsou naacutesledujiacuteciacute

H2 +Ominus2 rarr H2O + 2eminus

CO +O2minus rarrCO2 + 2eminus

Reakce na katodě 1 2O2 + 2e

minus rarrO2minus

Iont O2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě vlivem chemickeacute přitažlivosti vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho Uvolněneacute elektrony prochaacutezejiacute vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě V tomto přiacutepadě se ionty pohybujiacute od katody k anodě což je opačnyacute pohyb než probiacutehaacute u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků Produkty reakciacute se tedy hromadiacute spiacuteše na anodě než na katodě Po spojeniacute reakciacute na anodě a katodě můžeme psaacutet vyacutesledneacute reakce člaacutenku

H2 +1 2O2 rarr H2OCO +1 2O2 rarrCO2

Palivoveacute člaacutenky SOFC tedy produkujiacute vodu bez ohledu na použiteacute palivo oxid uhličityacute v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet oba druhy reagentů plynule odvaacuteděny z katody Mezi hlavniacute vyacutehody těchto člaacutenků patřiacute opět umožněniacute samovolneacuteho reformingu uhlovodiacutekovyacutech paliv jelikož ionty kysliacuteku prochaacutezejiacute přes elektrolyt leacutepe než ionty vodiacuteku mohou byacutet tyto člaacutenky použity k oxidaci plynneacuteho paliva Dokaacutežiacute pracovat stejně dobře jak se suchyacutemi tak i vlhkyacutemi palivy Majiacute stejně jako MCFC velkou kinetiku reakce a vysokou uacutečinnost V porovnanaacute s MCFC člaacutenky mohou pracovat s vyššiacute proudovou hustotou a pevnyacute elektrolyt umožňuje snadnějšiacute manipulaci a možnost vyacuteroby rozličnyacutech tvarů a uspořaacutedaacuteniacute Nepotřebujiacute katalyzaacutetor z ušlechtilyacutech kovů Hlavniacute nevyacutehody jsou opět spojeny s vyacutevojem vhodnyacutech materiaacutelů Je zde nutnost vyacutevoje vhodnyacutech materiaacutelů ktereacute majiacute požadovanou vodivost jak elektrickou tak tepelnou a ktereacute zachovaacutevajiacute pevneacute skupenstviacute i při vysokyacutech teplotaacutech jsou chemicky slučitelneacute (kompatibilniacute) s ostatniacutemi čaacutestmi člaacutenku jsou rozměrově staacuteleacute majiacute vysokou mechanickou odolnost a jejichž vyacuteroba je dostatečně technicky zvlaacutednuta Mnoho materiaacutelů je možno použiacutet pro vysokeacute teploty aniž by změnily svoje skupenstviacute na jineacute než pevneacute Vybraneacute materiaacutely musiacute byacutet dostatečně husteacute aby zabraacutenily promiacutechaacutevaacuteniacute paliva s oxidačniacutemi plyny a musiacute miacutet dostatečnou podobnost charakteristik tepelnyacutech roztažnostiacute aby nedošlo k jejich štěpeniacute na vrstvy a k jejich praskaacuteniacute během tepelneacuteho cyklu SOFC palivoveacute člaacutenky jsou citliveacute na přiacutetomnost siacutery v palivu kteraacute nesmiacute překročit hodnotu 500 ppm Celkově je ovšem zatiacutem technologie SOFC nedostatečně vyspělaacute

56

452Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute obvykle s teplotami nižšiacutemi než 250 degC Tyto niacutezkeacute teploty neumožňujiacute vnitřniacute reforming paliva v důsledku čehož vyžadujiacute niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky vnějšiacute zdroj vodiacuteku Na druhou stranu vykazujiacute rychlyacute rozběh zařiacutezeniacute a trpiacute menšiacute poruchovostiacute konstrukčniacutech materiaacutelů Jsou takeacute mnohem vhodnějšiacute pro aplikace v dopravě Nejvyacuteznamnějšiacutemi niacutezkoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC alkalickeacute palivoveacute člaacutenky AFC palivoveacute člaacutenky s protonovou membraacutenou PEM FC a palivoveacute člaacutenky s přiacutemyacutem zpracovaacuteniacutem methanolu DMFC

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute s elektrolytem jenž je schopnyacute veacutest hydroxidoveacute ionty od katody k anodě I tento typ se lišiacute od většiny niacutezkoteplotniacutech člaacutenků ktereacute vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je složen z roztaveneacute alkalickeacute směsi hydroxidu draselneacuteho Elektrolyt může byacutet jak pohyblivyacute tak i pevnyacute Palivoveacute člaacutenky s nepohyblivyacutemi elektrolytem použiacutevajiacute tuhyacute elektrolyt jež je udržovaacuten pohromadě pomociacute kapilaacuterniacutech sil uvnitř poreacutezniacute podpůrneacute krystalickeacute mřiacutežky kteraacute je tvořena azbestem Hmota samotnaacute zajišťuje těsněniacute proti uacuteniku plynů na okraji člaacutenku Produkovanaacute voda se odpařuje do proudu zdrojoveacuteho vodiacutekoveacuteho plynu na straně anody kde současně dochaacuteziacute k jejiacute kondenzaci Odpadniacute teplo je odvaacuteděno přes obiacutehajiacuteciacute chladivo Alkalickeacute člaacutenky pracujiacute v rozmeziacute teplot 65 až 220degC a při relativniacutem tlaku okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vytvaacuteřet stejnosměrneacute napětiacute mezi 11 až 12 V Zjednodušeneacute scheacutema je na obraacutezku 22

Obr 22 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [18]

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky musiacute pracovat pouze s čistyacutem vodiacutekem bez přiacuteměsi oxidů uhliacuteku Na anodě se odehraacutevajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 + 2K+ + 2OH minus rarr 2K + 2H2O

2Krarr 2K + + 2eminusReakce na katodě jsou tyto

57

1 2O2 + H2Orarr 2OH

2OH + 2eminus rarr 2OH minus

Hydroxidoveacute ionty OH- prochaacutezejiacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem chemickeacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny obiacutehat vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě Sloučeniacutem anodovyacutech a katodovyacutech reakciacute můžeme napsat celkoveacute reakce pro alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

H2 + 2OHminus rarr 2H2 + 2e

minus

1 2O2 + H2O + 2eminus rarr 2OH minus

Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek produkuje vodu jež se odpařuje do proudu vstupujiacuteciacuteho vodiacuteku (v přiacutepadě systeacutemů s nepohyblivyacutem elektrolytem) či je odvaacuteděna z palivoveacuteho člaacutenku s elektrolytem (u systeacutemů s pohyblivyacutem elektrolytem) Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet tato voda z člaacutenku odvaacuteděna plynule Mezi vyacutehody AFC člaacutenků patřiacute niacutezkaacute provozniacute teplota rychleacute startovaciacute časy (při teplotě rovneacute teplotě okoliacute jsou schopny dodat 50 jmenoviteacuteho vyacutekonu) Člaacutenek je vysoce uacutečinnyacute a spotřebovaacutevaacute minimaacutelniacute množstviacute platinoveacuteho katalyzaacutetoru AFC se vyznačuje malou hmotnostiacute a objemem minimaacutelniacute koroziacute a relativně jednoduchyacutem provozem Mezi nevyacutehody patřiacute potřeba čisteacuteho vodiacuteku jako paliva relativně kraacutetkaacute životnost a potřeba složiteacuteho systeacutemu vodniacuteho hospodaacuteřstviacute Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem tvořenyacutem kapalnou kyselinou fosforečnou je schopen veacutest vodiacutekoveacute ionty (protony) H+ od anody směrem ke katodě Kyselina fosforečnaacute se nachaacuteziacute uvnitř krystalickeacute mřiacutežky tvořeneacute karbidem křemiacuteku (některeacute palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyselin použiacutevajiacute jako elektrolyt kyselinu siacuterovou) PAFC člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech od 150 do 205degC a s relativniacutem tlakem okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 11 V U PAFC člaacutenků reaguje vodiacutek s kysliacutekem Reakci na anodě můžeme popsat naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

Reakce na katodě maacute potom tento tvar1 2O2 + 2e

minus + 2H + rarr H2O Proton vodiacuteku prochaacuteziacute elektrolytem od anody směrem ke katodě na zaacutekladě přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny prochaacutezet vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem v opačneacutem směru Sloučeniacutem anodoveacute a katodoveacute reakce ziacuteskaacuteme obecnou reakci pro člaacutenek kterou můžeme popsat2H2 +O2 rarr 2H2O PAFC člaacutenky produkujiacute voda kteraacute se hromadiacute na katodě Abychom zajistili dostatečnou kvalitu reakce musiacute byacutet produktovaacute voda postupně ze člaacutenku odvaacuteděnaPAFC člaacutenky jsou schopny sneacutest vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho v palivu (až 30) a proto PAFC nepožadujiacute čištěniacute vzduchu jako okysličovadla a reformaacutetoru jako paliva Pracujiacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech i tak jsou tyto teploty o něco vyššiacute než u ostatniacutech niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenciacutech proto produkujiacute odpadniacute teplo o vyššiacutem potenciaacutelu ktereacute může byacutet využito v kogeneračniacutech aplikaciacutech

58

PAFC člaacutenky jsou naacutechylneacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu kteryacute nesmiacute přesaacutehnout 2 Daacutele jsou citliveacute na obsah siacutery v palivu maximaacutelniacute obsah siacutery by neměl překročit 50 ppm Tiacutem že se použiacutevaacute korozivniacute tekutyacute elektrolyt vznikajiacute probleacutemy s koroziacute konstrukčniacutech materiaacutelů PAFC jsou velkeacute a těžkeacute a nejsou schopny samostatneacuteho reformingu uhliacutekovyacutech paliv Je potřeba jednotku před provozem zahřaacutet a musiacute byacutet trvale udržovaacuteny na provozniacute teplotě Noveacute formy palivovyacutech člaacutenků s elektrolytem na baacutezi kyselin využiacutevajiacute pevnyacutech kyselinovyacutech elektrolytů Tyto člaacutenky jsou vyrobeny ze sloučenin typu CsHSO4 pracujiacute s teplotami až do 250 degC a s napětiacutem napraacutezdno (otevřeneacuteho obvodu) 111 V DC Daacutele nabiacutezejiacute vyacutehodu provozu bez vlhkosti při zmiacuterněniacute citlivosti na oxid uhelnatyacute a možnosti samostatneacuteho reformingu metanolu Trpiacute však degradaciacute vlivem obsahu siacutery velikou houževnatostiacute (tvaacuternostiacute) při teplotaacutech nad 125 degC a rozpustnostiacute ve vodě Vyacuterobniacute techniky pro praktickeacute využitiacute nebyly ještě vyvinuty

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami PEM FC

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (nebo teacutež člaacutenky s pevnyacutem polymerem) použiacutevajiacute elektrolyt jenž je schopnyacute veacutest protony H+ od anody ke katodě Elektrolyt je vytvořen z pevneacuteho polymerniacuteho filmu kteryacute se sklaacutedaacute z okyseleneacuteho teflonu Fyzicky je každyacute palivovyacute člaacutenek vytvořen z membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA - Membrane Electrode Assembly) jež se sklaacutedaacute z anody katody elektrolytu a katalyzaacutetorů Všechny čaacutesti jsou umiacutestěny mezi dvěma deskami vyrobenyacutemi z grafitu a označovanyacutemi jako bipolaacuterniacute desky (Flow Field Plates desky s kanaacutelky pro rozvod plynů paliva a okysličovadla) Tyto desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo k jednotlivyacutem stranaacutem membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA) Chladivo se použiacutevaacute k regulaci reakčniacute teploty palivoveacuteho člaacutenku Pro snadnějšiacute regulaci jsou mezi každyacute palivovyacute člaacutenek umiacutestěny chladiacuteciacute desky Tyto chladiacuteciacute desky rozvaacutedějiacute chladivo uvnitř palivoveacuteho člaacutenku za uacutečelem absorpce či dodaacutevky požadovaneacuteho tepla Těsněniacute mezi grafitovyacutemi deskami zajišťuje aby se proud okysličovadla paliva a chladiva uvnitř palivoveacuteho člaacutenku nepromiacutechal Elektrickeacute desky (koncoveacute elektrody člaacutenku) jsou umiacutestěny na uacuteplnyacutech konciacutech do seacuterie řazenyacutech bipolaacuterniacutech desek (Flow Field Plates) Tyto desky se spojujiacute se svorkami ze kteryacutech je ziacuteskaacutevaacutena elektrickaacute energie palivoveacuteho člaacutenku (stacku) V přiacutepadě velkyacutech palivovyacutech člaacutenků musiacute byacutet jednotliveacute desky stlačeny a sešroubovaacuteny dohromady pomociacute tyčiacute či spojeny jinyacutem mechanickyacutem způsobem Elektrody zprostředkovaacutevajiacute přechod mezi deskami s rozvodnyacutemi kanaacutelky a elektrolytem Musiacute umožnit průnik vlhkyacutem plynům poskytnout reakčniacute povrch v miacutestě styku s elektrolytem musiacute byacutet vodiveacute pro volneacute elektrony jež proteacutekajiacute od anody ke katodě a musiacute byacutet zkonstruovaacuteny ze vzaacutejemně slučitelnyacutech materiaacutelů Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute papiacuter s uhliacutekovyacutemi vlaacutekny poněvadž je poreacutezniacute hydrofobniacute (nesmaacutečivyacute) vodivyacute a nekorodujiacuteciacute Materiaacutel elektrod je velmi tenkyacute v důsledku maximalizace (vystupňovaacuteniacute) množstviacute dopravovaneacuteho plynu a vody Katalyzaacutetor se přidaacutevaacute na povrch každeacute elektrody na stranu elektrolytu za uacutečelem naacuterůstu rychlosti průběhu chemickeacute reakce Katalyzaacutetor podporuje chemickou reakci aniž by byl během teacuteto reakce spotřebovaacutevaacuten Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute platina neboť vykazuje vysokou elektro-katalytickou činnost chemickou stabilitu a elektrickou vodivost Platina je velmi drahaacute takže jejiacute množstviacute

59

(znaacutemeacute jako katalyzaacutetoroveacute naacuteklady) ovlivňuje cenu palivoveacuteho člaacutenku Konstrukteacuteři palivovyacutech člaacutenků usilujiacute o minimalizaci množstviacute použiteacute platiny za současneacuteho zachovaacuteniacute vyacutekonu palivoveacuteho člaacutenku Elektrolyt tvořiacute tenkaacute membraacutena z plastoveacuteho filmu jejiacutež tloušťka je obvykle od 50 do 175 microm (mikronů) Tyto membraacuteny se sklaacutedajiacute z fluorem dotovanyacutech siřičitanovyacutech kyselin ktereacute stejně jako teflonoveacute fluoro-uhliacutekoveacute polymery majiacute řetězec končiacuteciacute zbytkem kyseliny siřičiteacute (-SO3-2) Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami použiacutevajiacute totiž kyselyacute elektrolyt stejně jako palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute Všechny kyseleacute pevneacute elektrolyty vyžadujiacute přiacutetomnost molekul vody pro vodivost vodiacutekovyacutech iontů (protonů) poněvadž vodiacutekoveacute ionty se pohybujiacute společně s molekulami vody v průběhu vyacuteměnneacute iontoveacute reakce Podiacutel vody k vodiacutekovyacutem iontům u efektivniacute vodivosti je obvykle okolo 31 Z tohoto důvodu musiacute byacutet plyny v kontaktu s membraacutenou nasyceneacute vodou pro lepšiacute funkci palivoveacuteho člaacutenku Na molekulaacuterniacute uacuterovni maacute polymer trubicovitou strukturu ve ktereacute jsou skupiny siřičitanovyacutech kyselin na vnitřniacutem povrchu trubic Tyto skupiny poskytujiacute hydrofilniacute (majiacute přiacutechylnost k vodě lehce smaacutečitelneacute) potrubiacute pro vedeniacute vody Vnějšiacute čaacutesti trubic jsou z hydrofobniacuteho fluorovaneacuteho materiaacutelu Trubkoviteacute struktury se scvrkaacutevajiacute a přeskupujiacute s poklesy obsahu vody Při stlačovaacuteniacute (zužovaacuteniacute) těchto trubek během dehydratace rapidně klesaacute vodivost což vede k naacuterůstu odporu kontaktu mezi membraacutenou a elektrodou To může veacutest až k prasklinaacutem a diacuteraacutem v membraacuteně Všechny elektrolyty musiacute vykazovat zaacutekladniacute vlastnosti jimiž jsou vodič protonů elektronovyacute izolant (nejsou schopny veacutest elektrony) a separaacutetor plynů Vyacuterobci se takeacute snažiacute produkovat membraacuteny ktereacute majiacute odpoviacutedajiacuteciacute mechanickou pevnost rozměrovou staacutelost (odolnost vůči vybouleniacute) vysokou iontovou vodivost niacutezkou atomovou hmotnost (vaacuteha polymeru vztaženaacute k množstviacute kyselyacutech zbytků) a jsou snadno zhotovitelneacute Do jisteacute miacutery je možneacute mechanickou a rozměrovou staacutelost polymeru zajistit jeho včleněniacutem do membraacutenoveacuteho uskupeniacute jež poskytne podpůrnou strukturu

Obr 23 PEM člaacutenek firmy Horizon zdroj [19]

Bipolaacuterniacute desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo na obou vnějšiacutech stranaacutech membraacutenoveacuteho uskupeniacute Každaacute z těchto desek obsahuje kanaacutelky serpentinoviteacuteho tvaru ktereacute maximalizujiacute kontakt plynu s membraacutenovyacutem uspořaacutedaacuteniacutem Specifickyacute tvar kanaacutelků pro plyn je kritickyacute pro homogenniacute vyacuterobu elektrickeacute energie staacutelyacute vyacutekon člaacutenku a spraacutevnou funkci vodniacuteho hospodaacuteřstviacute člaacutenku Tvary bipolaacuterniacutech desek jsou vyraacuteběny v zaacutevislosti na použitiacute palivovyacutech člaacutenků Každaacute deska musiacute byacutet elektricky

60

vodivaacute Proud vznikajiacuteciacute během elektrochemickeacute reakce může teacuteci z jednoho člaacutenku do druheacuteho až k postranniacutem deskaacutem ze kteryacutech je elektrickaacute energie odebiacuteraacutena do vnějšiacuteho elektrickeacuteho obvodu Desky se obvykle vyraacutebějiacute z grafitu (uhliacuteku) přičemž kanaacutelky jsou vyrobeny technologiiacute obraacuteběniacute nebo lisovaacuteniacute Grafit se upřednostňuje jako materiaacutel pro svou vynikajiacuteciacute vodivost a relativně niacutezkeacute naacuteklady Je potřeba miacutet na paměti zvlhčovaacuteniacute reakčniacutech plynů v palivovyacutech člaacutenciacutech Bez zvlhčeniacute se nedosaacutehne požadovanaacute iontovaacute vodivost a může dojiacutet ke zničeniacute palivoveacuteho člaacutenku Množstviacute vody kteryacute je schopen plyn pojmout je zaacutevisleacute na teplotě při zvlhčovaacuteniacute Ciacutelem zvlhčovaacuteniacute je nasytit reakčniacute plyny co největšiacutem množstviacutem vodniacutech par Plyny jsou zvlhčovaacuteny při provozniacute teplotě palivoveacuteho člaacutenku Při zvlhčovaacuteniacute za vyššiacutech teplot může čaacutest vodniacutech par v palivoveacutem člaacutenku kondenzovat Vnitřniacute (interniacute) zvlhčovače se sklaacutedajiacute z přiacutedavnyacutech seacuteriiacutech grafitovyacutech desek začleněnyacutech do palivoveacuteho člaacutenku Tiacutemto dochaacuteziacute k rozděleniacute bloku palivoveacuteho člaacutenku na aktivniacute čaacutest kteraacute obsahuje palivoveacute člaacutenky a neaktivniacute čaacutest jež obsahuje desky zvlhčovače Desky zvlhčovače jsou obdobneacute bipolaacuterniacutem deskaacutem a využiacutevajiacute se k rozvodu plynu a vody po hydrofilniacute membraacuteně Voda se přemiacutesťuje přes membraacutenu a sytiacute omyacutevajiacuteciacute plyn Membraacuteny tohoto typu jsou již komerčně dostupneacute Vnitřniacute zvlhčovače odebiacuterajiacute vodu přiacutemo z chladiacuteciacuteho okruhu (z proudu chladiacuteciacuteho meacutedia) a vyuacutesťujiacute v jednoduchyacute integrovanyacute systeacutem s dobře propojenyacutemi teplotniacutemi charakteristikami Takoveacute uspořaacutedaacuteniacute předem vylučuje využitiacute jineacuteho chladiacuteciacuteho meacutedia než čisteacute vody Čistaacute voda naviacutec zhoršuje probleacutemy při startu palivoveacuteho člaacutenku neboť při niacutezkyacutech teplotaacutech může dojiacutet k jejiacutemu zamrznutiacute Kromě toho vede zakomponovaacuteniacute zvlhčovače do palivoveacuteho člaacutenku k naacuterůstu rozměrů palivoveacuteho člaacutenku a komplikuje jeho opravy neboť obě čaacutesti musiacute byacutet opravovaacuteny současně Vnějšiacute zvlhčovače se nejčastěji navrhujiacute jako membraacutenoveacute či kontaktniacute Membraacutenoveacute jsou založeny na obdobneacutem principu jako vnitřniacute zvlhčovače avšak jsou umiacutestěny odděleně Kontaktniacute zvlhčovače využiacutevajiacute principu rozprašovaacuteniacute zvlhčovaciacute vody na horkyacute povrch či do komory s velkou povrchovou plochou kterou proteacutekaacute jeden z reagujiacuteciacutech plynů Voda se potom odpařuje přiacutemo do plynu a způsobuje jeho nasyceniacuteVnějšiacute zvlhčovače mohou odebiacuterat vodu z chladiacuteciacuteho okruhu nebo mohou byacutet vybaveny samostatnyacutem vodniacutem okruhem Vyacutehody a nevyacutehody pro přiacutepad odběru vody z okruhu chladiacuteciacuteho meacutedia jsou stejneacute jako u vnitřniacutech zvlhčovačů V přiacutepadě zvlhčovače se samostatnyacutem vodniacutem okruhem může byacutet jako chladivo použito meacutedium s vyššiacutemi niacutezkoteplotniacutemi charakteristikami než maacute voda čiacutemž se však stane vzaacutejemnaacute vazba mezi teplotou zvlhčovače a palivoveacuteho člaacutenku daleko komplikovanějšiacute Bez ohledu na zdroj vody vede využiacutevaacuteniacute vnějšiacuteho zvlhčovače k nutnosti použitiacute samostatnyacutech součaacutestiacute ktereacute jsou pravděpodobně rozměrnějšiacute a takeacute mohutnějšiacute zvlaacuteště v přiacutepadě kontaktniacuteho zvlhčovače PEM člaacutenky pracujiacute s teplotami 70 až 90 degC a relativniacutem tlakem 1 až 2 bary Každyacute člaacutenek je schopnyacute generovat napětiacute okolo 11 V

61

Obr 24 Scheacutema PEM člaacutenku [18] V palivovyacutech člaacutenciacutech typu PEM spolu reagujiacute vodiacutek a kysliacutek Reakce na anodě a anodě probiacutehajiacute naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

1 2O2 + 2eminus + 2H + rarr H2O

Proton H+ prochaacuteziacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem vzaacutejemneacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou využity k oběhu od anody ke katodě přes vnějšiacute elektrickyacute obvod Sloučeniacutem reakciacute na anodě a katodě ziacuteskameacute celkovou reakci pro PEM člaacutenek

H2 +1 2O2 rarr H2O PEM člaacutenky dobře snaacutešiacute vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho jak v palivu tak okysličovadlu proto mohou PEM člaacutenky pracovat se znečištěnyacutem vzduchem jako okysličovadlem a reformaacutetorem jako palivem Tyto člaacutenky pracujiacute s niacutezkyacutemi teplotami což zjednodušuje požadavky na použiteacute materiaacutely umožňuje rychlyacute start a zvyšuje bezpečnost Je použit pevnyacute suchyacute elektrolyt to eliminuje naacuteroky na manipulaci s tekutinami snižuje pohyb elektrolytu a probleacutemy spojeneacute s jeho doplňovaacuteniacutem Elektrolyt neniacute korozivniacute tiacutem samozřejmě klesajiacute probleacutemy s koroziacute materiaacutelů PEM člaacutenky majiacute vysokeacute člaacutenkoveacute napětiacute vysokou proudovou a energetickou hustotu Pracovniacute tlaky jsou relativně niacutezkeacute a člaacutenek je schopen reagovat na proměnnost tlaku bez většiacutech probleacutemů Tvarově jsou PEM člaacutenky jednoducheacute kompaktniacute a mechanicky odolneacute PEM člaacutenky jsou citliveacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu (maximum je 50 ppm) jsou schopneacute sneacutest pouze několik ppm sloučeniny siacutery PEM člaacutenky požadujiacute zvlhčovaacuteniacute reakčniacuteho plynu zvlhčovaacuteniacute je energeticky naacuteročneacute a způsobuje naacuterůst rozměru celeacuteho systeacutemu Použitiacute vody pro zvlhčovaacuteniacute paliva limituje provozniacute teplotu palivoveacuteho člaacutenku na hodnotu nižšiacute než je teplota bodu varu vody čiacutemž se redukuje potenciaacutel využitelnyacute v kogeneračniacutech aplikaciacutech PEM člaacutenky použiacutevajiacute draheacute platinoveacute katalyzaacutetory a draheacute membraacuteny se kteryacutemi se obtiacutežně pracuje

62

46 Systeacutem palivovyacutech člaacutenků

Blok palivoveacuteho člaacutenků je jednotka pro přeměnu energie v systeacutemu palivoveacuteho člaacutenku Zdroj se sklaacutedaacute z množstviacute subsysteacutemů pro řiacutezeniacute a regulaci provozu palivoveacuteho člaacutenku Pomocneacute systeacutemy jsou požadovaacuteny pro systeacutem chlazeniacute člaacutenku dopravu a zvlhčovaacuteniacute reaktantů přenos elektrickeacuteho vyacutekonu člaacutenku monitorovaacuteniacute a řiacutezeniacute provozu popřiacutepadě uskladněniacute paliva a okysličovadla Systeacutemy palivovyacutech člaacutenků majiacute vyššiacute tepelneacute uacutečinnosti zvlaacuteště ty s malyacutemi rozměry či středniacutem zatiacuteženiacutem Praacutevě uacutečinnostniacute charakteristika poskytuje hlavniacute impuls pro současnyacute vyacutevoj palivovyacutech člaacutenků Zdroje s palivovyacutemi člaacutenky jsou schopneacute provozu s reformovanyacutemi fosilniacutemi palivy jakyacutem je metanol či zemniacute plyn Zdokonalenaacute tepelnaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku snižuje objem potřebneacuteho paliva a tiacutem zajišťuje i sniacuteženiacute znečišťovaacuteniacute životniacuteho prostřediacute Konfigurace provozniacute charakteristiky a celkovaacute systeacutemovaacute uacutečinnost zdrojů s palivovyacutemi člaacutenky se určuje předevšiacutem vyacuteběrem vhodneacuteho paliva a okysličovadla Nejefektivnějšiacute konfigurace zdrojů je založena na čistyacutech reaktantech - vodiacuteku a kysliacuteku Avšak pro většinu aplikaciacute je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku a kysliacuteku nepraktickeacute a proto se hledajiacute různeacute alternativy Napřiacuteklad vzduch se obvykle u systeacutemů s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM využiacutevaacute jako okysličovadlo pokud je to možneacute Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je sniacutežena v porovnaacuteniacute s provozem s čistyacutem kysliacutekem a znevyacutehodněniacute je ještě umocněno potřebou stlačovaacuteniacute vzduchu Tato znevyacutehodněniacute jsou takeacute většiacute než kompenzace provedenaacute přemiacutestěniacutem uskladněniacute okysličovadla ven ze zdroje Pro určiteacute aplikace je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku nepraktickeacute v důsledku jeho niacutezkeacute uskladňovaciacute hustoty a nedostatečneacute infrastruktury Tekutaacute paliva jako je metanol nafta a petrolej mohou byacutet reformovaacuteny na plyny bohateacute na vodiacutek ktereacute jsou využity pro provoz palivoveacuteho člaacutenku Zemniacute plyn pokud je dostupnyacute může byacutet takeacute využit v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků Reforming však snižuje celkovou uacutečinnost systeacutemu a zapřiacutečiňuje i naacuterůst rozměrů zdroje

461 Systeacutem vodiacutek vzduch

Suchozemskeacute systeacutemy s palivovyacutemi člaacutenky použiacutevajiacute obvykle jako okysličovadlo stlačenyacute vzduch Jako palivo může byacutet použita jakyacutekoliv z vyacuteše zmiňovanyacutech laacutetek avšak čistyacute vodiacutek je nejjednoduššiacute a nejuacutečinnějšiacute pro tyto podmiacutenky Vodiacutek jako palivo maacute relativně niacutezkou objemovou a hmotnostniacute hustotou uskladněniacute energie ve srovnaacuteniacute s tekutyacutemi palivy jež jsou v současnosti využiacutevaacuteny Kromě toho neniacute zde vybudovaacutena dostatečnaacute infrastruktura pro vstup vodiacuteku na světovyacute trh s energiemi A upřiacutemně v současneacute době relativniacuteho dostatku tekutyacutech paliv potřeba tuto infrastrukturu neniacute přiacuteliš velikaacute Zjednodušeneacute scheacutema zdroje na baacutezi palivovyacutech člaacutenků typu PEM použiacutevajiacuteciacute vodiacutek a vzduch je na obraacutezku 25 Vodiacutek je dopravovaacuten ze zaacutesobniacuteků Vodiacutek je zvlhčen a dodaacutevaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Plynovyacute kompresor tlakuje vodiacutek kteryacute z člaacutenku odchaacuteziacute (poměrnyacute obsah vodiacuteku je přibližně 15) jako přebytek paliva a vraciacute ho zpět do vstupniacute čaacutesti okruhu dodaacutevky paliva Čistota vodiacuteku je jedniacutem z nejdůležitějšiacutech požadavků z toho důvodu musiacute byacutet systeacutem velmi dobře uzavřen V systeacutemu anody je instalovaacuten odvzdušňovaciacute ventil kteryacute sloužiacute k periodickeacutemu odvodu nečistot ktereacute se nachaacutezejiacute ve vodiacutekoveacutem zaacutesobniacuteku Okolniacute vzduch je filtrovaacuten stlačen zvlhčen a dodaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Kondenzaacutetor odvaacutediacute produktovou vodu z vyacutestupu vzduchu rekuperačniacute tepelnyacute

63

vyacuteměniacutek ohřiacutevaacute proud vstupniacuteho vzduchu Popsanyacute systeacutem pracuje obvykle s tlakem okolo 2 barů Uzavřenaacute smyčka chladiacuteciacuteho okruhu je zaměstnaacutevaacutena udržovaacuteniacutem provozniacute teploty člaacutenků okolo 80 degC Kondenzaacutetor produktoveacute vody a zvlhčovač reaktantů se začleňuje do chladiacuteciacuteho systeacutemu V systeacutemu chladiacuteciacute vody je daacutele instalovaacuten deionizačniacute filtr z důvodu udrženiacute hladiny čistoty vody Člaacutenek je dokonale izolovaacuten aby se předešlo průsakům vody ven z člaacutenku a kontaminaci membraacuteny prostřednictviacutem nechtěnyacutech iontů Na elektrickeacutem vyacutestupu palivoveacuteho člaacutenku je neregulovaneacute stejnosměrneacute napětiacute Testovaacuteniacute zaacutetěže by se mělo provaacutedět pravidelně aby byly zajištěny dobreacute elektrickeacute podmiacutenky pro předpoklaacutedanou zaacutetěž

Obr 25 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a vzduchem [8]

462Systeacutem vodiacutek kysliacutek

V aplikaciacutech kde neniacute dostupnyacute vzduch jako je vesmiacuter nebo podmořskeacute prostřediacute může byacutet použit čistyacute vodiacutek kysliacutek jako okysličovadlo Kysliacutek je uskladněn jako stlačenyacute plyn či kryogenniacute tekutina Kysliacutek zabiacuteraacute určityacute objem a hmotnost celkoveacuteho energetickeacuteho systeacutemu Palivoveacute člaacutenky potom vykazujiacute většiacute vyacutekon většiacute napětiacute člaacutenku a celkovou uacutečinnost Odstraněniacute zařiacutezeniacute ke stlačovaacuteniacute vzduchu dochaacuteziacute v systeacutemu k poklesu hlučnosti a parazitickyacutech ztraacutet Obraacutezek 26 znaacutezorňuje typickyacute zdroj s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s čistyacutem vodiacutekem a kysliacutekem Je to v podstatě stejnyacute systeacutem jako v přiacutepadě systeacutemu se vzduchem Toky obou reaktantů jsou cirkulovaacuteny skrz palivovyacute člaacutenek pomociacute kompresorů se opětovně natlakujiacute na provozniacute tlak V přiacutepadě dostupnosti vhodnyacutech dopravniacutech tlaků z uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků reaktantů mohou byacutet kompresory nahrazeny čerpadly čiacutemž dojde k eliminaci parazitniacutech ztraacutet spojenyacutech s cirkulaciacute plynu Systeacutemy těchto palivovyacutech člaacutenků jsou obvykle konstruovaacuteny pro provoz

64

v uzavřeneacutem prostřediacute a mohou byacutet provozovaacuteny jako samostatneacute uzavřeneacute systeacutemy V ideaacutelniacutem přiacutepadě je jedinyacutem hmotnyacutem produktem voda Nečistoty ve vstupniacutem vodiacuteku a kysliacuteku postupně zvyšujiacute svou koncentraci v systeacutemu proto je nezbytneacute pravidelneacute čištěniacute Inertniacute čaacutesti paliva jsou vstřebaacutevaacuteny a odvaacuteděny prostřednictviacutem produktoveacute vody palivoveacuteho člaacutenku Potřeba přiacutedavneacuteho čištěniacute je určena požadavkem čistoty u zařiacutezeniacute na uskladněniacute reaktantů životnostiacute zdroje a provozniacutemi podmiacutenkami systeacutemu

Obr 26 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a kysliacutekem [8]

65

5 Instalace ve světě

V současnosti se spojeniacute větrneacute energie a vyacuteroby vodiacuteku použiacutevaacute velmi maacutelo Tento systeacutem maacute ovšem podle mnoha zdrojů obrovskyacute růstovyacute potenciaacutel Nabiacuteziacute jednu z alternativ pro teacuteměř 16 miliardy lidiacute na světě kteřiacute nemajiacute přiacutestup k elektrickeacute energii Trhy pro ktereacute je tato technologie zajiacutemaveacute již dnes jsou izolovaneacute oblasti vyspělyacutech staacutetů Tyto trhy použiacutevajiacute jako hlavniacute zdroj elektrickeacute energie diesel agregaacutety jsou tudiacutež vysoce zaacutevisleacute na dodaacutevkaacutech ropy Vodniacute elektrolyacuteza je použitelnaacute ve spojeniacute s fotovoltaickou a větrnou energiiacute Existuje dobraacute shoda mezi polarizačniacutemi křivkami obnovitelnyacutech zdrojů a elektrolyzeacuterů a mohou byacutet spojeny bez elektronickeacuteho sledovaacuteniacute vyacutekonovyacutech charakteristik při relativně vysokeacute uacutečinnosti Projekty využiacutevajiacuteciacute spojeniacute větrneacute energie již existujiacute Jeden z pilotniacutech projektů je umiacutestěn na ostrově Unst v severniacute čaacutesti Velkeacute Britaacutenie Ciacutelem tohoto projektu je demonstrovat jak větrnaacute energie spojenaacute s využiacutevaacuteniacutem vodiacuteku je schopna pokryacutet energetickeacute potřeby pěti obchodniacutech jednotek v odlehleacute oblasti Větrnaacute energie na Shetlandech nabiacuteziacute velmi dobreacute možnosti pro jejiacute využitiacute nevyacutehodou větrnyacutech podmiacutenek na tomto ostrově je jejich nepředviacutedatelnaacute povaha Pro zajištěniacute stabilniacuteho a spolehliveacuteho dodaacutevaacuteniacute energie je potřeba zajistit dobreacute řiacutezeniacute toku teacuteto energie a skladovaacuteniacute Elektrickaacute siacuteť je na ostrově ve velmi špatneacutem stavu a neumožňuje připojeniacute dalšiacuteho pevneacute připojeniacute z obnovitelnyacutech zdrojů Každyacute novyacute systeacutem musiacute byacutet připojen nezaacutevisle na siacuteti nebo miacutet zajištěn dostatečnou kapacitu pro uskladněniacute energie z těchto zdrojů Na ostrově jsou umiacutestěny 2 větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 15 kW V čase niacutezkeacuteho odběru obchodniacutech jednotek nebo naopak při vysokeacute produkci je přebytek energie použit v elektrolyzeacuteru kteryacute potřebuje přibližně 2-7 kW denniacute produkce vodiacuteku dosahuje přibližně 2 kg vodiacuteku Vodiacutek je uložen ve vysokotlakyacutech naacutedobaacutech a daacutele použiacutevaacuten jako alternativa fosilniacutech paliv Systeacutem je vybaven zaacuteložniacutem zdrojem obsahuje 5 kW palivoveacute člaacutenky a měnič kteryacute převaacutediacute stejnosměrnyacute proud z elektrolyzeacuteru na proud střiacutedavyacute

Obr 27 Scheacutema systeacutemu instalovaneacuteho v Unstu

66

Prvniacutem miacutestem kde došlo v roce 2004 k instalaci vyacuteznamnějšiacuteho autonomniacuteho systeacutemu využiacutevajiacuteciacuteho větrneacute elektraacuterny pro produkci vodiacuteku a jeho naacutesledneacutemu použitiacute pro vyacuterobu elektrickeacute energie je norskyacute ostrov Utsira V pilotniacutem projektu bylo vybraacuteno 10 domaacutecnostiacute do kteryacutech se dodaacutevaacute elektrickaacute energie vyacutehradně z větrneacute energie Ve větrneacutem počasiacute větrneacute elektraacuterny dodaacutevajiacute elektřinu přiacutemo Když produkce elektřiny přesaacutehne aktuaacutelniacute požadavky domaacutecnostiacute je přebytečnaacute elektřina použita pro produkci vodiacuteku v elektrolyzeacuterech Vodiacutek je daacutele stlačen a uložen do tlakovyacutech naacutedob V přiacutepadě že je viacutetr přiacuteliš slabyacute nebo naopak silnyacute a větrneacute elektraacuterna neniacute schopna dodaacutevat elektrickou energii palivoveacute člaacutenky začnou spotřebovaacutevat uskladněnyacute vodiacutek a dodaacutevat elektrickou energii do domaacutecnostiacute Tento systeacutem je schopen dodaacutevat elektrickou energii domaacutecnostem až po dobu 3 dnů v přiacutepadě nedostupnosti větrneacute energie Utsira je velmi větrnyacutem ostrovem kteryacute se jevil jako ideaacutelniacute miacutesto pro pilotniacute projekt tohoto typu Na ostrově byly instalovaacuteny dvě turbiacuteny Enercon E40 každaacute s kapacitou 600 kW Jedna z turbiacuten produkuje elektřinu přiacutemo do siacutetě zatiacutemco druhaacute je připojena do samostatneacuteho systeacutemu a vyacutekon je sniacutežen na 150 kW aby leacutepe odpoviacutedala poptaacutevce Pro stabilizaci nestabilniacute obnovitelneacute energie se použiacutevaacute setrvačniacutek s kapacitou 5 kWh a 100 kVA hlavniacute synchronniacute motor ktereacute vyrovnaacutevajiacute a ovlaacutedajiacute napětiacute a frekvenci Přebytečnaacute energie je uklaacutedaacutena pomociacute elektrolyzeacuteru firmy Hydrogen Technologies s maximaacutelniacutem zatiacuteženiacutem 48 kW 5 kW kompresoru Hofer a tlakovyacutech naacutedob o objemu 2400 Nm3 při tlaku 200 bar Při nedostatku energie z větru se tato potřebnaacute energie dodaacutevaacute pomociacute 5 IRD palivovyacutech člaacutenků o celkoveacutem vyacutekonu 55 kW

Obr 28 Scheacutema projektu v Utsiře

Projekt byl v provozu nepřetržitě po dobu 4 let viacutece než 50 času byly pro dodaacutevaacuteniacute energie použiacutevaacuteny palivoveacute člaacutenky Kvalita dodaacutevky elektrickeacute energie byla dobraacute nebyly hlaacutešeny žaacutedneacute stiacutežnosti I přes uacutespěšnou demonstraci kvality projektu byly odhaleny vyacutezvy ktereacute je potřeba překonat pro zajištěniacute uacutespěchu teacuteto technologie 20 Utilizace větrneacute energie odhalila potřebu pro vyacutevoj uacutečinnějšiacutech elektrolyzeacuterů stejně tak jako zlepšeniacute uacutečinnosti konverze vodiacuteku na elektřinu Palivoveacute člaacutenky v průběhu provozu trpěly určityacutemi probleacutemy jako byl uacutenik chladiciacute kapaliny ze člaacutenku Palivoveacute člaacutenky trpěly takeacute rapidniacute degradaciacute vydržely sotva 100 hodin provozu Tyto probleacutemy spojeneacute s niacutezkou uacutečinnostiacute konverze vodiacuteku zvyacutešili

67

pravděpodobnost že vodiacutek během klidneacuteho větru může dojiacutet Cena a spolehlivost palivovyacutech člaacutenků se musiacute vylepšit aby byl projekt tohoto typu komerčně uacutespěšnyacute Bylo takeacute doporučeno aby budouciacute projekty zahrnovaly viacutece obnovitelnyacutech zdrojů energie Uacutespěch projektu na ostrově Utsira demonstruje uskutečnitelnost kombinace obnovitelneacuteho zdroje energie a vodiacuteku v odlehlyacutech lokalitaacutech a noveacute možnosti použitiacute elektrolyzeacuterů v budouciacutech energetickyacutech systeacutemech Ekonomicky bude tento projekt daacutevat smysl pouze při dalšiacutem vyacutevoji součaacutestiacute systeacutemu je předpoklad že by tato podmiacutenka mohla byacutet splněna za 5 až 10 let

Obr 29 Projekt kombinujiacuteciacute větrnou energii a vodiacutek na ostrově Utsira [20]

68

6Přiacutepadovaacute studie

61Vyacuteběr lokace

Souhrnnaacute dlouhodobaacute data o větru v jedneacute lokaci je velmi složiteacute ziacuteskat Lokace pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny se vybiacuteraacute podle podrobneacute lokaacutelniacute větrneacute mapy jejiacutemž autorem je v Českeacute republice ČHMUacute Naacutesleduje faacuteze měřeniacute rychlosti větru přiacutemo v miacutestě potenciaacutelniacuteho umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Pravidelneacute měřeniacute směru a siacutely větru provaacutediacute ČHMUacute na svyacutech meteorologickyacutech staniciacutech Profesionaacutelniacutech stanic existuje 38 6 stanic spravuje armaacuteda a dalšiacutech 179 je stanic je dobrovolnickyacutech Vzhledem k uacuteplnosti dat jsem se v praacuteci rozhodl použiacutet data z meteorologickeacute stanice na letišti v Mošnově Stanice je primaacuterně určena pro informovaacuteniacute leteckeacuteho personaacutelu o počasiacute v bliacutezkosti letiště Diacuteky vstřiacutecnosti miacutestniacutech meteorologů jsem ziacuteskal data o rychlosti větru v roce 2006 Stanice je umiacutestěna přiacutemo na letištniacute ploše ve vyacutešce 3 m Samotneacute letiště Mošnov ležiacute v severovyacutechodniacute čaacutesti Českeacute republiky 20 km od města Ostravy Data

jsou umiacutestěna v souboru programu Excel jako přiacuteloha 1 Měřeniacute je provaacuteděno nepřetržitě a je vypočiacutetaacutevaacuten 15 sekundovyacute průměr kteryacute sloužiacute jako informace pro piloty Statisticky se zaznamenaacutevajiacute 3 měřeniacute denně Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny jsou potřebneacute dvě důležiteacute informace a to průměrnaacute rychlost větru vstr a standardniacute odchylka σw Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov vstr= 3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1

62 Větrnaacute turbiacutena

Pro tuto praacuteci bylo vybraacuteno jako vhodneacute řešeniacute použitiacute dvou stejnyacutech relativně menšiacutech větrnyacutech turbiacuten firmy Enercon Jmenovityacute vyacutekon turbiacuteny je 330 kW Pro uchyceniacute trojlisteacuteho rotoru o průměru 33 m je použit 50 m ocelovyacute stožaacuter Elektraacuterna je bezpřevodovkovaacute s proměnlivyacutemi otaacutečkami rotoru ktereacute se mohou pohybovat v rozmeziacute 15-45 otmin Hlavniacute ložiska jsou jednořadaacute kuželiacutekovaacute Enercon dodaacutevaacute vlastniacute generaacutetor Jednaacute se o prstencovyacute generaacutetor kteryacute je přiacutemo pohaněnyacutesynchronniacute s variabilniacute frekvenciacute Elektraacuterna je daacutele vybavena brzdou rotoru aretaciacute rotoru a třemi soběstačnyacutemi systeacutemy nastavovaacuteniacute listů s nouzovyacutem zdrojem Startovaciacute rychlost je 25 ms-1 jmenovitaacute rychlost 12 ms-1 a odpojovaciacute rychlost je 12 ms-1 Tabulka 7 uvaacutediacute hodnoty jmenoviteacuteho vyacutekonu elektraacuterny při danyacutech rychlostech větru

Rychlost větru [ms]

Vyacutekon [kW]

Kapacitniacute faktor [-]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 5 137 30 55 92 138 196 250 293 320 335 335 335 335

0 035 040 045 047 050 05 05 047 041 035 028 023 018 015

Tab 7 Vyacutekonoveacute charakteristiky turbiacuteny E33 [21]

69

Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny se potom určiacute pomociacute vyacutepočtu v programu Mathcad tento vyacutepočet je součaacutestiacute přiacutelohy 2 Pro určeniacute vyacutekonoveacute křivky použijeme tabulku 7 zobrazujiacuteciacute rychlost větru a jemu odpoviacutedajiacuteciacute vyacutekon Data proložiacuteme křivkou spline kteraacute je aproximaciacute tabulkovyacutech hodnot Použijeme funkci cspline kteraacute je v programu Mathcad definovaacutena Vyacuteslednaacute křivka je potom zobrazena na obraacutezku 30 Křivka je určena pro teplotu t=15degC a nadmořskou vyacutešku h=0 m

Obr 30 Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny E33

63 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov

Celyacute vyacutepočet je umiacutestěn v přiacuteloze 2 Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr= 3596 ms-1 standardniacute odchylky σw=254 ms-1 a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 1459

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 3969

Spektrum rozloženiacute hustoty rychlostiacute větru v daneacute lokalitě se popisuje pomociacute Weibullovy pravděpodobnostniacute funkce grafickeacute zobrazeniacute je na obraacutezku 31

70

f x( ) = kcsdot xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdotexp minus xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

Obr 31 Weibullova funkce pro letiště Mošnov

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě mošnovskeacuteho letiště je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 3 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 015 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 682m sdot sminus1

Rozdiacutel v průměrnyacutech rychlostech je převaacutežně způsoben působeniacutem mezniacute vrstvy u povrchu Země Hustota vzduchu v miacutestě instalace značně ovlivňuje vyacuteslednyacute vyacutekon větrneacute elektraacuterny proto je potřeba ji v celkoveacutem vyacutepočtu zohlednit Hustota vzduchu ρ [kgm3] je zaacutevislaacute předevšiacutem na teplotě t [degC] a nadmořskeacute vyacutešce Z [m] dle vztahu

ρ = 33505t + 2731

sdotexp minus981sdotZ287 sdot(t + 2731)

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

71

Dalšiacute veličinou kterou je před samotnyacutem vyacutepočtem určit je kapacitniacute faktor CFA [-] Kapacitniacute faktor je jinyacutem naacutezvem součinitel využitiacute a určuje zastoupeniacute času při ktereacutem jsou schopny větrneacute elektraacuterny byacuteti v provozu Tento součinitel zaacuteviacutesiacute na typu větrneacute elektraacuterny daacutele pak na maximaacutelniacute rychlosti větru Uf [ms] minimaacutelniacute rychlosti větru Uc [ms] naacutevrhoveacute rychlosti větru Ur [ms] a Weibullovyacutech faktorech c a k dle naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 029

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Mošnově použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 257 m průměrnaacute teplota t= 65 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=682 ms Pnom se potom rovnaacute 8447 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obraacutezku 32

Obr 32 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro mošnovskou lokalitu Pav= 24 445 W Ročniacute průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 24445 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na letišti v Mošnově je potom Pwf=44691 kW Tato hodnota je na vyacutekon 330kW elektraacuterny velmi niacutezkaacute instalace tedy postraacutedaacute ekonomickyacute smysl a je potřeba určit jineacute umiacutestěniacute instalace Dalšiacutem faktorem znemožňujiacuteciacutem instalaci větrnyacutech elektraacuteren je složitost stavebniacuteho řiacutezeniacute Vzhledem k ochraně letištniacuteho provozu by stavba musela splňovat velmi složitaacute kriteacuteria a byacutet umiacutestěna v dostatečneacute vzdaacutelenosti od letištniacute draacutehy kde už nemusejiacute rychlosti větru odpoviacutedat rychlostem měřenyacutem meteorologickou staniciacute přiacutemo

72

na letišti

64 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce

Obec Noveacute Dvorce na hranici Olomouckeacuteho a Moravskoslezskeacuteho kraje byla vybraacutena jako alternativniacute lokalita splňujiacuteciacute zaacutekladniacute požadavek o průměrneacute ročniacute rychlosti větru V lokalitě Červeneacuteho kopce kteryacute je v bliacutezkosti obce Noveacute Dvorce je umiacutestěno již v současneacute době 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele větrneacuteho parku a to firmy Větrnaacute energie HL sro je v lokalitě Červeneacuteho kopce průměrnaacute rychlost větru vstr= 74 ms-1 standardniacute odchylka σw=35 ms-1 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny v teacuteto lokalitě probiacutehaacute analogicky jako v předešleacute kapitole Prvniacute je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr standardniacute odchylky σw a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu Mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 2225

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 8355

Graf Weibullovy funkce je pro lokalitu Noveacute Dvorce je zobrazen na obraacutezku 32

Obr 32 Weibullova funkce pro lokalitu Noveacute Dvorce

73

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě Novyacutech Dvorců je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 10 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 025 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 10372m sdot sminus1

Kapacitniacute faktor je potom určen podle analogickeacuteho vztahu jako v předešleacute kapitole pro Noveacute Dvorce je kapacitniacute faktor teacuteměř dvojnaacutesobnyacute což znamenaacute zvyacutešeniacute celkoveacuteho vyacutekonu dodaacuteveneacuteho elektraacuternami

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 0474

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Novyacutech Dvorciacutech použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 580 m průměrnaacute teplota t= 73 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=10372 ms Pnom se potom rovnaacute 2467 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obr

Obr 34 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro lokalitu Noveacute Dvorce Pav= 116 845 W Ročniacute

74

průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 116845 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na Červeneacutem kopci je potom Pwf=23369 kW Vypočiacutetanyacute vyacutekon je průměrně dostupnyacute 1500 hodrok jak uvaacutediacute zdroj [2] Celkovaacute elektrickaacute energie vyprodukovanaacute za 1 rok se určiacute dle vztahu

W = PWT sdot1500 = 3505 times105 kWh rok

Takto vysokaacute hodnota je daacutena předevšiacutem vhodnostiacute vybraneacute lokality kapacitniacute faktor CFA se tudiacutež bliacutežiacute nejvyššiacutem hodnotaacutem kteryacutech je elektraacuterna E33 schopna dosaacutehnout a to CFAmax= 05

65 Elektrolyzeacuter

Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutemu rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute Po uvaacuteženiacute předešlyacutech informaciacute byl pro aplikaci vybraacuten vysokotlakyacute elektrolyzeacuter NELP40 firmy Norsk Hydro Elektrolyzeacuter NELP40 maacute vyacutejimečnyacute dynamickyacute rozsah a to mezi 10 až 100 instalovaneacuteho vyacutekonu při zachovaacuteniacute vysokeacute čistoty vodiacuteku Rychlost vyacuteroby vodiacuteku okamžitě reaguje na rychleacute změny přiacutekonu což je ideaacutelniacute vlastnost pro spojeniacute s větrnou energiiacute Elektrolyzeacuter je pod delšiacute dobu schopen byacutet v režimu stand-by což umožňuje okamžiteacute obnoveniacute vyacuteroby vodiacuteku v přiacutepadě dobryacutech větrnyacutech podmiacutenek Tabulka 8 ukazuje provozniacute charakteristiky tohoto elektrolyzeacuteru

Jmenovitaacute Kapacita

Dynamickyacute rozsah kapacity

Vyacutestupniacute tlak

Čistota vodiacuteku

40 Nm3hod (36 kghod)

10 - 100 jmenoviteacute kapacity

16 bar g (232 psi g)

999

75

Naacuteběhovyacute čas ze stand-by do max kapacity

Reakce na dynamickou změnu zatiacuteženiacute

Okolniacute teplota

Kontrolniacute systeacutem

Elektrolyt

Potřebneacute napět

Frekvence zdroje

Spotřeba energie na Nm3 H2

Spotřeba vody na Nm3 H2

Vyacutekon potřebnyacute k maximaacutelniacute produkci

Vodivost vody

Průtok chladiacuteciacute vody

Teplota chladiacuteciacute vody

lt 3 sekundy

lt 1 sekunda

-20degC - +40degC

automatickyacute daacutelkovyacute monitoring a ovlaacutedaacuteniacute

32 vodnyacute roztok KOH

400 V

50 Hz

48 KWh

09 litru

192 kW

lt 5 microScm

15 m3hod při max kapacitě

lt 25degC

Tab 8 Provozniacute charakteristiky NELP40 [5]

Pro vyacutepočet celkoveacuteho množstviacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku danyacutem elektrolyzeacuterem vyjdeme z provozniacutech charakteristik elektrolyzeacuteru a celkoveacute elektrickeacute energie vyprodukovaneacute za 1 rok našimi větrnyacutemi elektraacuternami Vyacutepočet proveden v přiacuteloze 3 Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku VH potřebneacute množstviacute vody VV a hmotnost vyprodukovaneacuteho vodiacuteku mH je potom

VH = 73030Nm3H2 rokmH = 6573kg rokVV = 65730l rok

Pokud chceme vyčiacuteslit cenu produkce 1 kg vodiacuteku musiacuteme v prvniacutem kroku zařadit větrneacute podmiacutenky v našiacute lokalitě zařadit do kategorie klasifikace větrneacute energie podle obraacutezku 33

76

Obr 33 Klasifikace větrneacute energie [22]

Středniacute rychlost větru pro lokalitu Novyacutech Dvorců je vstr=74 ms-1 nicmeacuteně hustota větrneacute energie je odhadem nižšiacute proto naše lokalita spadaacute do kategorie 6 Podle obraacutezku 34 pak můžeme určit cenovyacute interval vyacuteroby 1 kg vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech Dle obraacutezku je nejnižšiacute možnaacute cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku lehce pod 3 dolary neboli 59 Kč

Obr 34 Cena elektrolytickeacute vyacuteroby 1 kg vodiacuteku dle třiacuted větrneacute energie [22]

66 Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta

Vodiacutek neniacute zdrojem ale přenašečem energie Užitiacute vodiacuteku neniacute omezeno pouze na palivoveacute člaacutenky vodiacutek je vyacutehodneacute palivo i pro klasickeacute spalovaciacute (benziacutenoveacute i naftoveacute) motory Užitiacutem vodiacuteku ve spalovaciacutech motorech vznikajiacute NOx i když jako jedineacute polutanty Diacuteky mnohem menšiacutem naacutekladům na uacutepravu spalovaciacutech motorů pro provoz na vodiacutekoveacute palivo v porovnaacuteniacute s palivovyacutemi člaacutenky se jeviacute varianta spalovaacuteniacute vodiacuteku v nich jako přechodně preferovanějšiacute řešeniacute do doby vyacuterazneacuteho sniacuteženiacute naacutekladů na palivoveacute člaacutenky nebo do doby zvyacutešeniacute jejich uacutečinnosti

77

Pro budouciacute hlavniacute vyacuterobu vodiacuteku prostřednictviacutem elektrolyacutezy vody je nutnyacute dalšiacute vyacuteznamnyacute energetickyacute nosič - elektřina Obdobně jako u elektřiny vyacutehody užitiacute vodiacuteku zaacutevisiacute na tom jak je vodiacutek vyraacuteběn Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny např vyraacuteběneacute z uhliacute zvyacutešiacute se sice bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute ale vyacuterazně se zvyacutešiacute emise CO2 Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny z obnovitelnyacutech zdrojů zvyacutešiacute se bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute a sniacutežiacute emise CO2 ale přidaacutevajiacute se dalšiacute vlivy tohoto způsobu vyacuteroby elektřiny (omezenost obnovitelnyacutech zdrojů) Umiacutestěniacute dostatečneacuteho množstviacute paliva ve vozidle je dalšiacute probleacutem kteryacute dnes neniacute uspokojivě vyřešen Hlavniacute vyacutehodou vodiacuteku jako energetickeacuteho nosiče je že nabiacuteziacute cestu k decentralizovaneacutemu energetickeacutemu trhu na baacutezi nefosilniacutech paliv Vodiacutek je možneacute použiacutevat ve vozidle jako palivo bud přiacutemo ve spalovaciacutem motoru nebo jako zdroj elektrickeacute energie v palivoveacutem člaacutenku v elektromobilu Při vyacuterobě vodiacuteku elektrolyacutezou vody použitiacutem elektrickeacute energie vyrobeneacute z obnovitelnyacutech zdrojů je vodiacutek nejčistšiacutem současnyacutem palivem Z hlediska snižovaacuteniacute emisiacute skleniacutekovyacutech plynů je podstatneacute že automobily jezdiacuteciacute na vodiacutek oproti elektromobilům využiacutevajiacuteciacutech elektřinu z fosilniacutech paliv nevytvaacuteřiacute žaacutedneacute emise oxidu uhličiteacuteho Použitiacute vzduchu jako palivoveacute složky při využitiacute niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků nepřinaacutešiacute emise NOx Probleacutemy s bezpečnostiacute a cena vozidel s přiacutemyacutem spalovaacuteniacutem vodiacuteku jsou však hlavniacute důvody proč se současnyacute vyacutevoj využitiacute vodiacuteku v automobilech orientuje spiacuteše na palivoveacute člaacutenky kde se vodiacutek využiacutevaacute na vyacuterobu elektrickeacute energie Nicmeacuteně se zaměřiacuteme na použitiacute vodiacuteku ve spalovaciacutem motoru a to převaacutežně z důvodu možneacuteho rychleacuteho nasazeniacute do provozu jelikož uacuteprava spalovaciacuteho motoru neniacute komplikovanaacute a byla už reaacutelně předvedena Dalšiacutem důvodem je cena automobil vybavenyacute palivovyacutemi člaacutenky o stejneacutem vyacutekonu jako 2 litrovyacute benzinovyacute motor maacute desetinaacutesobnou cenu celkovyacutech naacutekladu na konverzi auta se spalovaciacutem motorem [23] Palivovyacute systeacutem motoru je vybaven elektronickyacutem směšovaciacutem systeacutemem kteryacute určuje směšovaciacute poměr vodiacuteku a vzduchu Spalovaacuteniacute probiacutehaacute s přebytkem vzduchu Přiacutedavnyacute vzduch ve spalovaciacutem prostoru odniacutemaacute teplo a tiacutem klesaacute teplota plamene pod kritickou mez nad niž by se směs mohla sama vzniacutetit Vznikajiacuteciacute oxidy dusiacuteku (NOx) jsou neutralizovaacuteny v redukčniacutem katalyzaacutetoru Bez dalšiacutech přiacutedavnyacutech zařiacutezeniacute pracujiacute vodiacutekoveacute motory prakticky bez emisiacute oproti benzinu jsou všechny emisniacute komponenty sniacuteženy až o 999 [23]

661 Koncept Fordu Focus s vodiacutekovyacutem palivem

Projekt uacutepravy seacuteriově vyraacuteběneacuteho Fordu Focus byl koordinovaacuten daacutenskou nevlaacutedniacute organizaciacute Folkencenter kteraacute byla založena v roce 1983 Hlavniacute naacuteplniacute teacuteto organizace je vyacutevoj testovaacuteniacute a demonstrovaacuteniacute technologiiacute využiacutevajiacuteciacute obnovitelneacute zdroje energie Standardniacute Ford Focus s 2 litrovyacutem benziacutenovyacutem motorem byl konvertovaacuten na použitiacute vodiacuteku jako paliva Vysokotlakaacute naacutedrž na vodiacutek o objemu 90 l byla uložena do zadniacute čaacutesti automobilu Bezpečnostniacute a ovlaacutedaciacute prvky byly speciaacutelně vyvinuty Scheacutema systeacutemu je na obraacutezku 35

78

Obr 35 Scheacutema konceptu vodiacutekoveacuteho Fordu Focus [23]

Motor konceptu je startovaacuten pomociacute benziacutenu a po dostatečneacutem zvyacutešeniacute otaacuteček je automaticky přepnut na vodiacutekoveacute palivo Toto uspořaacutedaacuteniacute umožňuje plynuleacute starty a nabiacuteziacute možnost cestovaacuteniacute na delšiacute trasy za použitiacute konvenčniacutech paliv Modifikace byly provedeny na hlavě vaacutelce Palivovyacute systeacutem vodiacuteku byl nově vyvinut přesneacute elektronickeacute řiacutezeniacute motoru je založeno na rychlosti a zatiacuteženiacute motoru Maximaacutelniacute vyacutekon 46 k dostaneme při 4600 otm což umožňuje vyvinout rychlost až 110 kmh Vyacutekonovaacute křivka motoru je na obraacutezku 36

Obr 36 Porovnaacuteniacute vyacutekonu motoru Fordu Focus při použitiacute vodiacuteku a benziacutenu jako paliva [23]

79

662 Průměrnaacute spotřeba vodiacuteku jako paliva

Pro analyacutezy využitiacute vodiacuteku jako paliva a plaacutenovaacuteniacute spraacutevneacuteho rozvrženiacute čerpaciacutech stanic jsou elektrolytickeacute systeacutemy kategorizovaacuteny do naacutesledujiacuteciacutech kategoriiacute dle [24]

bull Domaacuteciacute velikost poskytne palivo pro 1-5 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 200-1000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho sousedstviacute poskytne palivo pro 5-50 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 1000-10000 kg H2rok

bull Velikost sousedstviacute poskytne palivo pro 50 - 150 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 10000-30000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho předměstiacute což může reprezentovat stojan u staacutevajiacuteciacutech benzinovyacutech pump poskytuje palivo pro 150-500 aut a produkce vodiacuteku dosahuje 30000-100000 kg H2rok

bull Velikost předměstiacute poskytne palivo pro viacutece než 500 automobilů za rok a produkce vodiacuteku bude většiacute než 100000 kg H2rok

Počet aut byl určen vyacutepočtem kteryacute předpoklaacutedaacute spotřebu jednoho auta na 200 kg vodiacuteku za rok Spotřeba 200 kg vodiacuteku předpoklaacutedaacute že auto ujede ročně průměrně 19000 km a průměrnaacute spotřeba bude 104 kg vodiacuteku na 100 km Při použitiacute stejnyacutech předpokladů a a použitiacute množstviacute naacutemi vyrobeneacuteho vodiacuteku a to mH=6573 kg může systeacutem instalovanyacute v Novyacutech Dvorciacutech pokryacutet ročniacute spotřebu až 32 automobilů Při zahrnutiacute informaciacute o naacutekladoveacute ceně na vyacuterobu jednoho 1kg paliva a průměrneacute spotřebě automobilu viz přiacuteloha 3 by cena na ujetiacute jednoho kilometru byla 061 Kč Tato cena nereflektuje daň spotřebniacute ani daň z přidaneacute hodnoty

663 Bezpečnostniacute zaacutesady

Vodiacutek je velmi lehkyacute a hořlavyacute plyn kteryacute ve spojeniacute se vzduchem vytvaacuteřiacute vyacutebušnou směs proto je potřeba dodržovat při konstrukci a provozu systeacutemů využiacutevajiacuteciacutech vodiacutek určiteacute bezpečnostniacute zaacutesady a postupy jako napřiacuteklad

bull Dokonale utěsněneacute trubkoveacute prostupy do zařiacutezeniacute a budovbull Použiacutevat bezpečnaacute zařiacutezeniacute ktereacute neprodukujiacute jiskry (osvětleniacute topeniacute

klimatizace)bull Ověřovaacuteniacute diferenčniacutech tlaků použiacutevaacuteniacute ventilaacutetorůbull Použiacutevaacuteniacute panelů miacuterniacuteciacutech přiacutepadnyacute vyacutebuchbull Testovaacuteniacute vodiacutekoveacuteho potrubiacute na tlakoveacute ztraacutety a uacutenikbull Potrubiacute a tlakoveacute naacutedoby profukovat dusiacutekem před manipulacemi s

armaturami aby jsme minimalizovali pravděpodobnost vytvořeniacute hořlaveacute směsi mezi vodiacutekem a vzduchem

Nouzoveacute vypiacutenače

Pro zajištěniacute rychleacute odstaacutevky vyacuteroby by měly byacutet v miacutestě instalace umiacutestěny nouzoveacute vypiacutenače Spraacutevneacute umiacutestěniacute samozřejmě zaacutevisiacute na konkreacutetniacutem provedeniacute systeacutemu Pro vyacuterobu vodiacuteku pomociacute elektrolyzeacuteru by měly byacutet umiacutestěny řiacutediacuteciacute budově na PLC skřiacuteni dalšiacute vhodneacute miacutesto je mimo hlavniacute vstup do produkčniacute budovy v produkčniacute budově opět umiacutestěniacute v bliacutezkosti PLC skřiacuteně

80

Aktivace nouzoveacuteho vypiacutenače by mělo naacutehle ukončit produkci vodiacuteku nebo odstavit proud přechaacutezejiacuteciacute do elektrolyzeacuteru Aktivace zavře pneumatickyacute ventil tak aby došlo k izolaci vysokotlakeacuteho vodiacuteku uloženeacuteho v zaacutesobniacuteku Naacutemi použityacute alkalickyacute elektrolyzeacuter ukončiacute svou činnost okamžitě po odstaveniacute probiacutehaacute promyacutevaacuteniacute dusiacutekem ktereacute trvaacute 10 až 15 minut

Detekce vodiacuteku

Produkčniacute budova a kompresorovna by měly miacutet vodiacutekoveacute detektory Vodiacutekoveacute detektory začnou vydaacutevat alarm když koncentrace vodiacuteku překročiacute 10 Detektory jsou kontinuaacutelně sledovaacuteny PLC ktereacute v přiacutepadě zvyacutešeniacute koncentrace odstaviacute vyacuterobu vodiacuteku a spustiacute alarm

Ventilace

Odsaacutevaciacute ventilaacutetor instalovaacuten do produkčniacute i kompresoroveacute budovy je v provozu kontinuaacutelně aby se zabraacutenilo nahromaděniacute unikajiacuteciacuteho vodiacuteku Odsaacutevaciacute ventilaacutetor je v provozu pokud probiacutehaacute vyacuteroba vodiacuteku Elektrolyzeacuter i kompresor jsou pozastaveny dokud nebude dosaženo na odsaacutevaciacutem ventilaacutetoru potřebneacute diferenciace tlaku kteryacute indikuje dostatečnyacute průtok vzduchu Tlaky jsou opět monitorovaacuteny PLC ktereacute zastaviacute vyacuterobu v přiacutepadě poklesu rozdiacutelu tlaku

Požaacuterniacute detekce

Protipožaacuterniacute ochrana se obvykle sklaacutedaacute ze dvou požaacuterniacutech hlaacutesičů odolaacutevajiacuteciacutech počasiacute a dvou optoelektronickyacutech detektorů kouře V produkčniacute budově jsou umiacutestěny UVIR detektory a detektory monitorujiacuteciacute tepelnyacute vyacutekon Všechny veškereacute detektory jsou spojeny s PLC ktereacute v přiacutepadě detekce požaacuteru odstaviacute vyacuterobu

81

Zaacutevěr

Praacutece teoreticky nastiňuje možnosti použitiacute hybridniacuteho systeacutemu spojeniacute dvou menšiacutech větrnyacutech elektraacuteren firmy Enercon o jmenoviteacutem vyacutekonu 330 kW a alkalickeacuteho elektrolyzeacuteru NELP40 firmy Norsk Hydro Zaacutekladniacutem krokem vyacutepočtu je nalezeniacute vhodneacute lokality umiacutestěniacute větrnyacutech elektraacuteren Prvotniacute vyacuteběr se provaacutediacute pomociacute větrneacute mapy kterou distribuuje ČHMUacute V našem přiacutepadě byla vybraacutena lokalita letiště v Mošnově Druhyacutem krokem je měřeniacute přiacutemo v miacutestě umiacutestěniacute potenciaacutelniacute větrneacute elektraacuterny Pro tento krok byly využity data dodanaacute miacutestniacute meteorologickou staniciacute Data se statisticky zpracovala a ukaacutezala naacutem zaacutekladniacute vlastnosti větru v mošnovskeacute lokalitě Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov je vstr=3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1 Tyto hodnoty jsou měřeny ve vyacutešce 3 m nad tereacutenem Pomociacute těchto hodnot byly určeny hodnoty tvaroveacuteho Weibull parametru k=1459 a rozměroveacuteho Weibull parametru c=3969 ms-1 Jelikož budou rotory větrneacute elektraacuterny umiacutestěny ve vyacutešce 44 m je potřeba přepočiacutetat průměrnou rychlost větru praacutevě pro 44 m průměrnaacute rychlost větru ve 44 m je potom Ur=682 ms-1 Jedniacutem ze zaacutekladniacutech faktorů ukazujiacuteciacutech kvalitu umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny je tzv kapacitniacute faktor CFA=029 tato hodnota je relativně niacutezkaacute a dalo se tedy předpoklaacutedat že lokalita v Mošnově neniacute ideaacutelniacutem miacutestem pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Domněnka byla potvrzena po dopočiacutetaacuteniacute celkoveacuteho vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren Pwf=44691 kW Tato hodnota je velmi niacutezkaacute pokud vezmeme v potaz celkovyacute nominaacutelniacute vyacutekon obou elektraacuteren kteryacute je 660 kW Podle větrneacute mapy byly vybraacuteny Noveacute Dvorce jako alternativniacute možnost umiacutestěniacute našich elektraacuteren Shodou okolnostiacute toto miacutesto již využiacutevaacute společnost Větrnaacute energie HL sro kteraacute zde umiacutestila 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele byla v miacutestě naměřena průměrnaacute rychlost větru vstr=74 ms=1 a standardniacute odchylka je potom σw=35 ms-1 Tyto hodnoty byly měřeny ve vyacutešce 10 m Vyacutepočet probiacutehal analogicky jako v prvniacutem přiacutepadě Kapacitniacute faktor CFA=0474 Stejně jako v předešleacutem přiacutepadě se dalo tušit že celkovyacute vyacutekon bude vysokyacute maximaacutelniacute kapacitniacute faktor pro větrnou elektraacuternu Enercon E33 je totiž 05 Celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren je v tomto přiacutepadě Pwf=23369 kW což je velmi dobraacute hodnota Předpoklaacutedaacute se že dostupnost tohoto vyacutekonu je 1500 hodin ročně celkovaacute vyrobenaacute elektrickaacute energie W=3505x105 kWhrok Elektrickaacute energie je spotřebovaacutena elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro kteryacute je pomociacute niacute schopen vyrobit mh=6573 kgrok Pro zjištěniacute naacutekladoveacute ceny je prvně potřeba klasifikovat větrneacute podmiacutenky podle zdroje [22] naše lokalita spadaacute do 6 kategorie a cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku je tedy 59 Kč Vodiacutek je daacutele použit jako palivo pro automobily ktereacute použiacutevajiacute konvenčniacute spalovaciacute motory upraveneacute pro spalovaacuteniacute vodiacuteku jako paliva Předpoklaacutedaacuteme že průměrnaacute spotřeba vodiacuteku na jedno auto a rok je 200 kg vodiacuteku Předpoklad zahrnuje ujetiacute 19 000 km za rok a průměrneacute spotřeby 104 kg vodiacuteku na 100 km Produkce vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech by pokryla provoz až 32 automobilů Naacutekladovaacute cena na ujetiacute 1 km by byla 061 Kč naacutekladovaacute cena pro benzinovyacute je průměrně 120 Kč Tyto ceny nereflektujiacute vyacuteši spotřebniacute daně a daně z přidaneacute hodnoty Zejmeacutena u daně z přidaneacute hodnoty se daacute předpoklaacutedat daňoveacute zvyacutehodněniacute pro vodiacutekovyacute pohon jelikož tento způsob vyacuteroby a využitiacute vodiacuteku neuvolňuje žaacutedneacute emise

82

Seznam použiteacute literatury

[1] Lakva P Netradičniacute využitiacute větrneacute energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2009 38 s Vedouciacute bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

[2] Rychetniacutek V Pavelka J Větrneacute motory a elektraacuterny ČVUT Praha 1997

[3] Wind energy [online] [citovaacuteno 2012-10-10] Dostupneacute z lthttpwwwgreenrhinoenergycomrenewablewindgt

[4] Luťcha J Hybridniacute soustava větrneacute elektraacuterny a fotovoltaickyacutech člaacutenků KG Process Innovations Brno 2009

[5] Norwegian Electrolysers [online] [citovaacuteno 2012-04-22] Dostupneacute z lthttpwwwnel-hydrogencomgt

[6] Sherif S A Barbir F Veziroglu T N Wind energy and the hydrogen economy-review of the technology Elsevier 2005

[7] Gupta R Hydrogen fuel production transport and storage San Francisco 2008 ISBN 978-1-4200-4575-8

[8] Sobotka K A wind power fuel cell hybrid system study University of Akureyri 2009

[9] Richard S A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles Universiteacute Laval 1996

[10] Agbossou K Chahine R Hamelin J Renewable energy systems based on hydrogen for remote applications Journal of Power Sources New York 2001

[11] Vijayaraghavan K Trends in biological hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy Rennes 2004

[12] Horaacutek B Koziorek J Kopřiva M Studie pohonu mobilniacuteho prostředku s palivovyacutem člaacutenkem VŠB TU Ostrava 2005

[13] Celik AN On the distributional parameters used in assessment of the suitability of wind speed probability density functions Energy Convers Manag Istanbul 2004 [14] Stolten D Krieg D Weber M An Overview on Water Electrolysis Juelich Research Center Berlin 2010

[15] Bourgeois R Advanced Alkaline Electrolysis GE Global Research Center New York 2006

[16] Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav [online] [citovaacuteno 2013-04-21] Dostupneacute z lthttpwwwchmiczgt

83

Čestneacute prohlaacutešeniacute

Prohlašuji že jsem byl seznaacutemen s předpisy pro vypracovaacuteniacute diplomoveacute praacutece a že jsem tuto praacuteci vypracoval samostatně a zaacuteroveň uvedl všechny použiteacute informačniacute zdroje

V Brně dne 20 5 2013 Petr Lakva

6

Poděkovaacuteniacute

Děkuji panu docentu Ing Jaroslavu Jiacutechovi CSc za poskytnuteacute konzultace a odbornou pomoc Daacutele bych chtěl poděkovat panu Ing Josefu Luťchovi CSc za přiacutenosneacute rady k tomuto projektu a takeacute svyacutem rodičům za podporu během celeacuteho studia

7

Obsah

Seznam použityacutech zkratek 10

Seznam použityacutech symbolů 11

Uacutevod 12

1Větrnaacute energie 14

11Větrneacute turbiacuteny 17

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek 18

2Elektrolyacuteza 24

21Princip elektrolyacutezy 24

22Typy elektrolyacutezy 25

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů 29

24Uacutečinnost elektrolyacutezy 31

25Napětiacute člaacutenků 31

26Vliv provozniacutech podmiacutenek 32

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku 33

3Metody uskladněniacute vodiacuteku 35

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu 37

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu 40

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů 42

34Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku 45

4Palivoveacute člaacutenky 47

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků 47

42Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků 48

43Princip funkce palivovyacutech člaacutenků 49

44Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků 51

45Typy palivovyacutech člaacutenků 52

8

46Systeacutem palivovyacutech člaacutenků 63

5Instalace ve světě 66

6Přiacutepadovaacute studie 69

61Vyacuteběr lokace 69

62Větrnaacute turbiacutena 69

63Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov 70

64Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce 73

65Elektrolyzeacuter 75

66Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta 77

Zaacutevěr 82

Seznam použiteacute literatury 83

Seznam přiacuteloh 85

9

Seznam použityacutech zkratek

AFC Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

ČHMUacute Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav

HF Vodiacutekovyacute filtr

ICI Imperial chemical industries

IR Infračerveneacute zaacuteřeniacute

MEA Membraacutenoveacute uskupeniacute

MCFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů

NASA Naacuterodniacute uacuteřad pro letectviacute a kosmonautiku

NHL Niacutezkyacute horniacute limit

OF Kysliacutekovyacute filtr

PAFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute

PEM Palivovyacute člaacutenek s polymerniacute membraacutenou

PLC Programovatelnyacute logickyacute automat

SOFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů

UV Ultrafialoveacute zaacuteřeniacute

VHL Vysokyacute horniacute limit

10

Seznam použityacutech symbolů

Symbol Vyacuteznam Jednotka

c Rozměrovyacute Weibull parametr -

CFA Kapacitniacute faktor -

CFAmax Maximaacutelniacute kapacitniacute faktor -

hrf Referenčniacute vyacuteška m

k Tvarovyacute Weibull parametr -

mH Hmotnost vyrobeneacuteho vodiacuteku kg

Pav Vyacutekon v naacutevrhoveacutem bodě kW

Pnom Nominaacutelniacute vyacutekon větrneacute turbiacuteny kW

Pwt Vyacutekon jedneacute větrneacute turbiacuteny kW

Pwf Vyacutekon obou větrnyacutech turbiacuten kW

Rgh Deacutelka turbulence -

Ur Naacutevrhovaacute rychlost větru ms-1

VH Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku za rok Nm3rok

vstr Středniacute rychlost větru ms-1

VV Objem vody potřebneacute k elektrolyacuteze l

Z Nadmořskaacute vyacuteška m

σw Standardniacute odchylka ms-1

Ostatniacute zde neuvedeneacute symboly jsou systematicky vysvětlovaacuteny v textu diplomoveacute praacutece

11

Uacutevod

Plneacute vyacutehody využitiacute vodiacuteku jako udržitelneacuteho zdroje paliva mohou byacutet dosaženy pouze v přiacutepadě že vodiacutek je produkovaacuten z obnovitelnyacutech zdrojů energie Využitiacute větrneacute a solaacuterniacute energie zaznamenalo v posledniacutech letech velkyacute pokrok Tento pokrok znamenaacute sniacuteženiacute ceny energie vyrobeneacute z těchto zdrojů Velmi často jsou takoveacute zdroje energie široce dostupneacute pokud napřiacuteklad bereme v uacutevahu Evropu jako celek v samotneacute Českeacute republice jsou možnosti využitiacute větru a slunečniacute energie relativně maleacute vzhledem k celkoveacute energetickeacute poptaacutevce na našem trhu Obnovitelneacute zdroje energie se mohou uplatnit v odlehlyacutech oblastech nebo v oblastech kde neniacute dostatečně vybudovaacutena elektrickaacute siacuteť a pokryacutet lokaacutelniacute energetickeacute požadavky Provoz solaacuterniacutech a větrnyacutech systeacutemů vysoce zaacutevisiacute na meteorologickyacutech podmiacutenkaacutech a tiacutem paacutedem je produkce elektřiny proměnnaacute v čase a často nereflektuje energetickeacute požadavky Řešeniacute tohoto probleacutemu je uloženiacute energie Energie se nejčastěji uklaacutedaacute pomociacute bateriiacute Baterie rychle ztraacuteciacute uloženou energii a mohou byacutet použity pouze v relativně kraacutetkeacutem časoveacutem uacuteseku Baterie majiacute takeacute limitovanou životnost Lepšiacute možnostiacute uloženiacute energie se jeviacute využitiacute vodiacutek jako nositele energie Molekulaacuterniacute vodiacutek v přiacuterodě neexistuje musiacute byacutet ziacuteskaacuten jinyacutemi způsoby Jedinaacute skutečně vyspělaacute technologie ziacuteskaacutevaacuteniacute vodiacuteku z obnovitelnyacutech zdrojů energie je elektrolyacuteza vody při ktereacute je molekula vody rozdělena na kysliacutek a vodiacutek použitiacutem elektrickeacute energie Elektrolyzeacutery jsou založeny na alkalickyacutech elektrolytech nebo protonoveacute membraacuteně kde je použit materiaacutel Nafion jako elektrolyt Stejnyacute materiaacutel je použit jako elektrolyt i v PEM palivovyacutech člaacutenciacutech Systeacutem elektrolyacutezy vody se sklaacutedaacute z elektrolytickyacutech člaacutenků nebo modulů fluidniacuteho subsysteacutemu dodaacutevajiacuteciacuteho vodu do člaacutenku a odvaacutedějiacuteciacuteho plyny ze člaacutenku a elektrickeacuteho subsysteacutemu Hlavniacutemi komponenty vodniacute elektrolyacutezy katoda anoda a separaacutetor Anoda a katoda musiacute byacutet odolneacute korozi a musiacute byacutet dobryacutemi elektrickyacutemi vodiči Kapacita produkce vodiacuteku pomociacute elektrolyacutezy se může pohybovat řaacutedově od několika cm3min až do tisiacuteců m3h Uacutečinnost procesu se řaacutedově pohybuje kolem 70 Proces elektrolyacutezy požaduje vysokou energetickou hustotu takže proce může byacutet velice drahyacute Vyacuteroba levneacuteho vodiacuteku může byacutet dosažena použitiacutem mimo-špičkoveacute elektrickeacute energie kdy je přebytek energie ze solaacuterniacutech panelů nebo větrneacute elektraacuterny použit pro proces elektrolyacutezy Vodiacutek je nejčastěji uložen ve formě stlačeneacuteho plynu v tlakovyacutech naacutedobaacutech ale existujiacute i dalšiacute možnosti uloženiacute vyrobeneacuteho vodiacuteku (v kapalneacutem stavu v pevnyacutech hydridech kovu a nebo v kapalnyacutech nosičiacutech např metanolu) V obdobiacute elektrickyacutech špiček ale při špatnyacutech povětrnostniacutech podmiacutenkaacutech může byacutet vodiacutek použit jako palivo do vysoce efektivniacutech palivovyacutech člaacutenků k uspokojeniacute elektrickeacute poptaacutevky Vodiacutek vyprodukovanyacute větrnou energiiacute lze použiacutet jako alternativniacute palivo do aut Hlavniacutemi průkopniacuteky použiacutevaacuteniacute vodiacuteku v automobiloveacutem průmyslu jsou značky BMW a Toyota Palivoveacute člaacutenky jsou zařiacutezeniacute produkujiacuteciacute elektrickou energii tak dlouho dokud je zajištěna dodaacutevka vodiacuteku jako paliva Člaacutenky pracujiacute na na přiacutemeacute elektrochemickeacute konverzi paliva dosahujiacute tak vysokeacute uacutečinnosti dosahujiacuteciacute 40 Systeacutemy využiacutevajiacuteciacute vodiacutek nabiacuteziacute flexibilitu v dimenzovaacuteniacute diacuteky modularitě elektrolyzeacuterů palivovyacutech člaacutenků a uskladněniacute vodiacuteku Komplikovanost systeacutemu založeneacuteho na vodiacuteku je velmi vysokaacute Pro zajištěniacute kontinuaacutelniacutech dodaacutevek je potřeba zajistit kvalitniacute management energetickyacutech toků mezi jednotlivyacutemi složkami systeacutemu

12

Provoz elektrolyzeacuteru a palivovyacutech člaacutenků v kombinaci s obnovitelnyacutemi zdroji energie přinaacutešiacute několik probleacutemu Prvniacutem probleacutemem je určeniacute velikosti elektrolyzeacuteru vzhledem k vyacutekonu větrneacute elektraacuterny nebo poli solaacuterniacutech panelů Jednou možnostiacute je navrhnout velikost elektrolyzeacuteru tak aby byl schopen přijmout veškeryacute vyacutekon vyprodukovanyacute vyacutekon nebo použiacutet elektrolyzeacuter s vyacutekonem nižšiacutem než je maximum zdroje V prvniacutem přiacutepadě bude elektrolyzeacuter pracovat se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem jako zdroj Toto řešeniacute je ovšem cenově meacuteně konkurenceschopneacute Druhaacute instalace je ekonomicky vyacutehodnějšiacute jelikož elektrolyzeacuter pracuje při vyššiacute kapacitě ale čaacutest elektrickeacute energie musiacute byacutet využito jinyacutem způsobem než pro vyacuterobu vodiacuteku Provoz elektrolyzeacuteru v kombinaci s obnovitelnyacutem zdrojem energie maacute několik probleacutemů ktereacute je potřeba řešit Obnovitelneacute zdroje jsou velmi nestaacuteleacute zdroje energie takto produkovaacutena může značně koliacutesat hodinu od hodiny den od dne obdobiacute od obdobiacute nebo rok od roku Proměnnyacute přiacutekon může způsobit probleacutemy s termoregulaciacute elektrolyzeacuteru Spraacutevnyacute provoz elektrolyzeacuteru zaacutevisiacute na předpoviacutedatelnyacutech pracovniacutech teplotaacutech Elektrolyzeacutery potřebujiacute určitou dobu na zahřaacutetiacute a provoz pod nominaacutelniacutem přiacutekonem může způsobit nižšiacute provozniacute teploty ktereacute majiacute za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti Komprese vodiacuteku se provaacutediacute piacutestovyacutemi a odstředivyacutemi kompresory Spotřeba kompresoru zaacutevisiacute na tlakoveacutem poměru proto je potřeba uvažovat o tlakovyacutech elektrolyzeacuterech ktereacute mohou sniacutežit celkovou spotřebu energie systeacutemu Sniacuteženiacute spotřeby je důsledkem odstraněniacutem elektrickeacute energie potřebneacute pro mechanickou kompresi Při elektrolyacuteze vznikaacute kromě vodiacuteku takeacute kysliacutek Kysliacutek je převaacutežně vypouštěn ze systeacutemu může byacutet použit při provozu palivoveacuteho člaacutenku zlepšuje totiž jeho vyacutekon Cena kysliacuteku je asi 4x menšiacute než cena vodiacuteku takže je potřeba zvaacutežit zda se vyplatiacute kysliacutek uklaacutedat při dalšiacutech naacutekladech Produkce vodiacuteku požaduje dostatečneacute množstviacute čisteacute vody Nečistoty obsaženeacute ve vodě mohou vyacuteznamně ovlivnit životnosti elektrolytickyacutech člaacutenků Voda je obvykle čištěna přiacutemo na miacutestě instalace čištěniacute vody může byacutet dalšiacutem naacutekladem při produkci vodiacuteku Při provozu elektrolyzeacuteru nastaacutevaacute kraacutetkodobeacute zvyšovaacuteniacute napětiacute způsobeneacute ustaveniacutem rovnovaacutehy obsahu vody v membraacuteně a oxidaciacute katalyzaacutetoru a dalšiacutech kovovyacutech komponentů Současneacute palivoveacute člaacutenky majiacute relativně kraacutetkou životnost kvůli degradaci membraacuteny Životnost elektrolyzeacuteru a palivoveacuteho člaacutenku je potřeba zohlednit při naacutevrhu systeacutemu Dalšiacutem velmi důležityacutem probleacutemem tyacutekajiacuteciacutem se vodiacuteku je bezpečnost Nespraacutevneacute zachaacutezeniacute a skladovaacuteniacute může způsobit určiteacute nebezpečiacute protože vodiacutek maacute niacutezkou teplotu vzniacuteceniacute a je velmi hořlavyacute Plamen hořiacuteciacuteho vodiacuteku je teacuteměř neviditelnyacute lehce tak může způsobit zraněniacute jelikož je těžce pozorovatelnyacute Vodiacutek je těkavyacute a neniacute toxickyacute Naacuteležitaacute ochrana a spraacutevneacute použitiacute systeacutemů využiacutevajiacuteciacute vodiacutek by mělo zaručit bezpečnost a spraacutevnou funkci

13

1Větrnaacute energie

Větrnaacute energie je energie pohybujiacuteciacute se vzduchoveacute masy Pohyb vzduchoveacute masy je způsoben rozdiacutelem teplot v atmosfeacuteře Slunečniacute zaacuteřeniacute ohřiacutevaacute vzduch kteryacute naacutesledně stoupaacute do vyššiacutech pater atmosfeacutery Tento pohyb vzduchu maacute za naacutesledek vytvořeniacute zoacuten nižšiacuteho tlaku vzduchu Tok vzduchu tzn viacutetr tyto tlakoveacute diference vyrovnaacutevaacute Větrnaacute energie je slunečniacute energie přeměněnaacute na kinetickou energii pohybujiacuteciacuteho se vzduchu Větrnaacute energie je globaacutelně nejrychleji rostouciacute sektor vyacuteroby energie z obnovitelnyacutech zdrojů Instalovanyacute vyacutekon v zemiacutech Evropskeacute unie dosaacutehl v roce 2012 100 GW polovina teacuteto kapacity byla instalovanaacute v posledniacutech 6 letech Obraacutezek 1 ukazuje vyacutevoj instalovaneacuteho vyacutekonu

Obr 1 Instalovanyacute vyacutekon větrnyacutech elektraacuteren v EU [14]

Větrneacute elektraacuterny tohoto vyacutekonu jsou schopny pokryacutet potřebu elektrickeacute energie pro 57 milioacutenů domaacutecnostiacute Ekvivalentniacute vyacutekon v uhelnyacutech elektraacuternaacutech by byl dosažen po spaacuteleniacute 72 milioacutenů tun uhliacute což představuje cca 750 000 vagoacutenůI přes tento rozvoj pouze vybraneacute lokality majiacute charakteristiky rychlosti a staacutelosti větru vhodneacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Hraniciacute ekonomickeacute naacutevratnosti investice je pro větrneacute elektraacuterny umiacutestěneacute ve vnitrozemiacute hodnota průměrneacute rychlosti větru 6 ms pro elektraacuterny umiacutestěneacute na moři je tato hodnota 7 ms vyššiacute hodnota je způsobena zejmeacutena zvyacutešenyacutemi investičniacutemi naacuteklady na instalaci tzv off-shore elektraacuteren Prvotniacutem krokem vybraacuteniacute vhodneacute lokality pro instalaci větrneacute elektraacuterny je průzkum satelitniacutech dat o průměrneacute rychlosti větru Zdrojem těchto dat je velkeacute množstviacute instituciacute na obr 2 je mapa vytvořena společnostiacute NASA přesněji satelitem GEOS-1 kteraacute zobrazuje ročniacute průměrnou rychlost ve vyacutešce 50 m Pro českeacute investory budou nejzajiacutemavějšiacute informace ČHMUacute kteryacute je schopen za poplatek dodat informace o směru a rychlosti větru v Českeacute republice Data jsou ovšem nepřiacutemaacute naměřeneacute hodnoty z meteorologickyacute stanic jsou aproximovanaacute pomociacute

0

25

50

75

100

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011

Vyacuteko

n [G

W]

Rok

14

matematickyacutech modelů Tyto mapoveacute podklady sloužiacute k přibližneacutemu určeniacute vhodneacute lokality Konečneacute rozhodnutiacute o instalaci by mělo byacutet založeno na dlouhodobeacutem měřeniacute na konkreacutetniacutem miacutestě plaacutenovaneacute vyacutestavby větrneacute elektraacuterny

Obr 2 Průměrnaacute rychlost větru ve vyacutešce 50 m [15]

Miacutesta s největšiacutem potenciaacutelem pro využitiacute větrneacute energie jsou nad oceaacuteny naopak miacutesta s jednou z nejhoršiacutech využitelnostiacute větrneacute energie jsou centraacutelniacute regiony velkyacutech světadiacutelů Nejvhodnějšiacute lokality pro využiacutevaacuteniacute větrneacute energie jsou pobřežniacute regiony Pobřežniacute regiony jsou znaacutemeacute silnyacutem větrem a velkyacutem poměrem světoveacute populace tzn odběratelů elektrickeacute energie Větrnaacute energie trpiacute stejnyacutem neduhem jako většina zdrojů obnovitelneacute energie a to nestaacutelostiacute a značnyacutemi sezoacutenniacutemi rozdiacutely Je velmi složiteacute přesně předpovědět energetickyacute vyacutestup z větrnyacutech zdrojů Rozvodnaacute siacuteť je schopna tyto sezonniacute vyacutekyvy absorbovat ale pouze v přiacutepadě že větrnaacute energie tvořiacute meacuteně než 20 celkoveacute kapacity siacutetě Diacuteky nestaacutelosti větrneacute energie větrneacute turbiacuteny pracujiacute s niacutezkyacutem kapacitniacutem faktorem Podiacutel větrneacute energie může byacutet vyacuterazně zvyacutešen použitiacutem skladovaciacutech technologiiacute Skladovaciacutech technologiiacute je celaacute řada pro svou praacuteci jsem si vybral jako nejslibnějšiacute technologii použitiacute vodiacuteku jako energetickeacuteho nositele Využitiacute vodiacuteku k vyacuterobě elektřiny je kontrolovatelneacute a dokaacuteže pokryacutet energetickeacute vyacutekyvy v době kdy větrneacute elektraacuterny do siacutetě elektrickou energii nedodaacutevajiacute Pro zajištěniacute spolehlivosti energetickeacuteho zdroje a optimalizaci naacutekladů na instalaci je potřeba najiacutet vhodnyacute vztah mezi jmenovityacutem vyacutekonem větrneacute elektraacuterny a vyacutekonem vodiacutekoveacuteho systeacutemu Vzdušneacute prouděniacute je proměnneacute nejenom v kraacutetkeacutem časoveacutem horizontu ale zaacuteroveň se měniacute i v raacutemci ročniacuteho obdobiacute Tato proměnnost značně ovlivňuje vyacutekonnost celeacuteho systeacutemu Větrnaacute energie se měniacute takeacute teacuteměř z hodiny na hodinu proto je potřeba vytvořit strategii pro pracovniacute režimy elektrolyzeacuteru tak aby nedochaacutezelo k časteacutemu vypiacutenaacuteniacute a zapiacutenaacuteniacute systeacutemu v zaacutevislosti na variaci větrneacute energie Přesnaacute předpověď vyacutevoje rychlosti větru zahrnuta do plaacutenovaciacutech a provozniacutech naacutestrojů systeacutemu může systeacutem značně vylepšit

15

Vyacuteroba vodiacuteku pomociacute větrneacute energie se děje pomociacute elektrolyacutezy vody tento vyacuterobniacute postup je vysvětlen v kapitole ldquoelektrolyacutezardquo Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutem rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute Pomocnaacute energie je dodaacutevanaacute ze stabilniacuteho regulovatelneacuteho zdroje V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Kombinace zdroje jako je větrnaacute elektraacuterna s elektrolyzeacutery může miacutet za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti kvůli ztraacutetaacutem způsobenyacutech konverziacute elektrickeacute energie ze stejnosměrneacute na střiacutedavou a naopak Jak usměrňovače tak invertory spotřebujiacute čaacutest energie Tyto zařiacutezeniacute mohou v ideaacutelniacutech podmiacutenkaacutech pracovat s uacutečinnostiacute kolem 93 - 95 bohužel velmi proměnou energii ziacuteskaacutevanou s větru nemůžeme považovat za ideaacutelniacute podmiacutenky tomu odpoviacutedaacute i znatelně menšiacute uacutečinnost Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute

16

11Větrneacute turbiacuteny

111Technologie

Nejčastěji použiacutevanaacute větrnaacute turbiacutena je tzv vztlakovyacute třiacutelistyacute rotor s vodorovnou osou otaacutečeniacute Pracuje na principu leteckeacute vrtule kdy viacutetr obteacutekaacute lopatky Lopatkyjsou asymetricky tvarovaacuteny proto na každeacute straně lopatky maacute obteacutekajiacuteciacute vzduch jinou

Obr 3 Zjednodušeneacute scheacutema větrneacute elektraacuterny [14]

rychlost to vytvaacuteřiacute tlakovou diferenci ktereacute maacute v konečneacutem důsledku za naacutesledek vytvořeniacute vztlakovyacutech sil ktereacute rotor roztaacutečiacute Hnaciacute uacutestrojiacute je obvykle tvořeno niacutezko-rychlostniacute hřiacutedeliacute kteraacute připojuje rotor k převodovce Převodovka je 2 až 3 stupňovaacute tzv rychlost zvyšujiacuteciacute Převodovka je připojena vysoko-rychlostniacute hřiacutedeliacute ke generaacutetoru Generaacutetory jsou typicky asynchronniacute indukčniacute a pracujiacute v rozmeziacute 550 - 690 V Některeacute turbiacuteny mohou byacutet vybaveny přiacutedavnyacutem generaacutetorem zlepšujiacuteciacutem produkci při niacutezkeacute rychlosti větru Přiacutedavnyacute generaacutetor může byacutet oddělenyacute nebo integrovanyacute v hlavniacutem generaacutetoru Součaacutestiacute větrnyacutech turbiacuten je i transformaacutetor kteryacute pomociacute elektromagnetickeacute indukce zvyšuje napětiacute proudu vznikajiacuteciacuteho ve větrneacute elektraacuterně Sběrnyacute systeacutem na miacutestě větrneacute elektraacuterny obvykle operuje se středniacutem napětiacute cca 25 - 35 kV Obraacutezek 3 zobrazuje zaacutekladniacute čaacutesti typickeacute větrneacute elektraacuterny Typickaacute větrnaacute elektraacuterna je vybavena regulačniacutem systeacutemem naklaacutepěniacute Pomociacute tohoto zařiacutezeniacute jsou uacutehly naacuteběhu listu rotoru staacutele regulovaacuteny tak aby byl rotor optimaacutelně přizpůsoben aktuaacutelniacutem větrnyacutem podmiacutenkaacutem Při vyššiacutech rychlostech větru regulačniacute systeacutemy zajišťujiacute aby vyacutekon elektraacuterny byl co možnaacute nejbliacuteže jmenoviteacuteho vyacutekonu Při nižšiacutech rychlostech optimalizujiacute předaacutevaacuteniacute vyacutekonu nastaveniacutem optimaacutelniacuteho počtu otaacuteček a optimaacutelniacuteho uacutehlu nastaveniacute rotorů Veškereacute funkce elektraacuterny jsou kontrolovaacuteny a řiacutezeny řiacutediacuteciacute jednotkou kteraacute je umiacutestěna

17

většinou ve věži Změny uacutehlu nastaveniacute listů rotoru jsou aktivovaacuteny pomociacute mžikoveacuteho ramene hydraulickyacutem systeacutemem kteryacute umožňuje listům rotovat axiaacutelně Elektricky pohaacuteněneacute převody se starajiacute o nataacutečeniacute celeacute gondoly ve směru větru Pohyb je uskutečňovaacuten pomociacute pastorku v gondole zasahujiacuteciacuteho do zubů otočneacuteho věnce kteryacute je upevněn na vrchniacute čaacutesti věže [2] Ložiskovyacute systeacutem směrovaacuteniacute větru je systeacutem kluzneacuteho ložiska se zabudovanou frikčniacute a blokujiacuteciacute funkciacute Listy rotoru jsou vyrobeny z epoxidoveacute pryskyřice vyztuženeacute skelnyacutem vlaacuteknem Každyacute list rotoru se sklaacutedaacute ze dvou polovin ktereacute jsou spojeny s nosnou traverzou Zvlaacuteštniacute oceloveacute vložky k ukotveniacute spojujiacute listy rotoru s ložiskem Brzděniacute rotoru probiacutehaacute pomociacute nastaveniacute listů Parkovaciacute brzda se nachaacuteziacute na vysokorychlostniacutem hřiacutedeli Gondola chraacuteniacute vnitřniacute komponenty elektraacuterny před povětrnostniacutemi podmiacutenkami a zviacuteřectvem Gondola je nejčastěji vyrobena z plastu[1]

Obr 4 Vztah rychlosti větru a vyacutekonu větrneacute elektraacuterny [8]

Jak je ukaacutezaacuteno na obraacutezku 4 vyacutekon větrneacute elektraacuterny je funkciacute rychlosti větru Vztah mezi vyacutekonem a rychlostiacute větru je definovaacuten pomociacute tzv vyacutekonoveacute charakteristiky kteraacute je unikaacutetniacute pro každou turbiacutenu v některyacutech přiacutepadech se může lišit i v zaacutevislosti na umiacutestěniacute elektraacuterny Pokud se budeme snažit generalizovat tak většina elektraacuteren začiacutenaacute produkovat vyacutekon při rychlosti větru okolo 2 ms jmenoviteacuteho vyacutekonu dosaacutehne okolo 13 ms a k odstaveniacute kolem 25 mskdy je nebezpečiacute poškozeniacute mechanickyacutech čaacutestiacute elektraacuterny a proto dojdek zabrzděniacute rotoru Proměnnost větru maacute za naacutesledek neustaacutelou změnu vyacutekonu Větrnaacute elektraacuterna umiacutestěna v lokaci s dobrou charakteristikou větru je schopna v ročniacutem průměru produkovat maximaacutelně 35 sveacute možneacute kapacity

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek

121Všeobecně

Vzhledem k tomu že větrneacute podmiacutenky jsou specifickeacute pro danou lokalitu a jsou vyacuterazně ovlivněny topologiiacute tereacutenu i překaacutežkami v okoliacute instalovaneacute větrneacute elektraacuterny je nutneacute ziacuteskat co nejpřesnějšiacute kvantitativniacute popis těchto podmiacutenek Elektrickeacute energie produkovanaacute danou větrnou elektraacuternou se vyacuterazně měniacute s odchylkami rychlosti větru od jejiacute středniacute hodnoty Jestliže 50 časoveacuteho uacuteseku

18

je rychlost větru 12 ms a 50 je rychlost 0 ms větrnaacute elektraacuterna vyrobiacute podstatně viacutece energie energie než když 100 tohoto času je rychlost větru 6 ms [3] Tato skutečnost vyplyacutevaacute ze zaacutevislosti vyacutekonu větrneacute elektraacuterny na třetiacute mocnině rychlosti větru [4] Pro vyhodnoceniacute očekaacutevaneacute produkce elektrickeacute energie v daneacute lokalitě je nutnaacute znalost distribuce rychlosti větru

122Počiacutetačoveacute modelovaacuteniacute

V širšiacutem měřiacutetku je možno modelovat průběh rychlosti větru počiacutetačovyacutem modelovaacuteniacutem Speciaacutelniacute vyacutepočetniacute algoritmy dokaacutežiacute popsat vliv různyacutech parametrů na rychlost větru jako je nadmořskaacute vyacuteška topografie a povrch tereacutenu Tyto modely musiacute použiacutevat vstupniacute data o charakteru větru ze znaacutemeacute lokace Roli těchto znaacutemyacutech lokaciacute zastupujiacute předevšiacutem meteorologickeacute stanice ktereacute nabiacuteziacute přesneacute měřeniacute směru a rychlosti větru pro daneacute miacutesto

Obr 5 Průměrnaacute rychlost větru v 10 m [16]

Tyto viacutetr mapujiacuteciacute programy dle znaacutemyacutech hodnot odvodiacute hodnoty rychlostiacute větru pro specifickou vyacutešku a miacutesto na zaacutekladě těchto hodnot se vytvaacuteřiacute tzv atlas větru Atlasy větru jsou vydaacutevaacuteny ve velkeacute množstviacute měřiacutetek od globaacutelniacutech map po mapy lokaacutelniacute U naacutes je zdrojem těchto map předevšiacutem ČHMUacute kteryacute tyto mapy poskytuje potencionaacutelniacutem investorům za uacuteplatu Větrneacute mapy reprezentujiacute nejlepšiacute

19

odhad větrnyacutech zdrojů na velkeacutem uacutezemiacute Nemohou však zastoupit měřeniacute větru přiacutemo na miacutestě anemometrem Sloužiacute k vybraacuteniacute lokality s větrnyacutem potenciaacutelem Dalšiacute vyhodnoceniacute vyacutenosnosti větrneacute elektraacuterny probiacutehaacute již na samotneacutem miacutestě budouciacute instalace a to vyhodnoceniacutem lokaacutelniacutech podmiacutenek ovlivňujiacuteciacutech rychlost prouděniacute větru

123Měřeniacute v miacutestě umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny

Měřeniacute rychlosti se provaacutediacute anemometrem umiacutestěnyacutem v předpoklaacutedaneacute vyacutešce rotoru aby byly vyacutesledky co možnaacute nejviacutece reprezentativniacute Samotneacute měřeniacute se obvykle provaacutediacute v průběhu jednoho roku Tato informace se uvaacutediacute nejčastěji formou sloupcoveacuteho diagramu např obr 6 kteryacute udaacutevaacute procentuaacutelniacute vyacuteskyt rychlosti větru

Obr 6 Četnost vyacuteskytu rychlostiacute větru proloženyacutech funkciacute Weibull

ve třiacutedaacutech o šiacuteřce 1 ms Ze sloupcoveacuteho grafu se vyhodnocuje středniacute rychlost větru zpravidla během jednoho roku většinou tzv Weibullovyacutem rozděleniacutem (fialovaacute křivka na obraacutezku 6) Středniacute rychlost je daacutele použiacutevaacutena při vyacutepočtech vyacutekonu Weibullova funkce je pravděpodobnostniacute dvouparametrovaacute funkce kteraacute maacute tvar

p(v) = kA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ sdot

vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdoteminus vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

kde p(v) pravděpodobnost vyacuteskytu rychlosti v v rychlost větru [ms] k tvarovyacute parametr [-] A parametr měřiacutetka [ms]

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Čet

nost

vyacutes

kytu

[]

Rychlost větru [ms]

20

Rychlost větru je nejnižšiacute na zemskeacutem povrchu a zvyšuje se se stoupajiacuteciacute vyacuteškou tento jev je spojen s vyacuteskytem mezniacute vrstvy při povrchu Vyacutekon větrneacute elektraacuterny je

Obr 7 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

v podstatě uacuteměrnyacute třetiacute mocnině středniacute rychlosti větru Hlavniacute snahou je tedy umiacutestit rotor co možnaacute nejvyacuteše Tento jev je ilustrovaacuten uvedenyacutem vertikaacutelniacutem rychlostniacutem profilem na obraacutezku 7 Z uvedeneacuteho grafu je patrneacute zvyacutešeniacute rychlosti až do vyacutešky 40 - 50 m Kvantitativně tento jev shrnuje obecnaacute tabulka 1 v přiacutepadě je uvažovaacuten nominaacutelniacute vyacutekon při vyacutešce osy rotoru 10 m potom je růst vyacutekonu s rostouciacute vyacuteškou naacutesledujiacuteciacute

Vyacuteška osy rotoru

Zvyacutešeniacute vyacutekonu

10 m 0

19 m 41

27 m 75

36 m 100

46 m 125

Tab 1 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vyacutešk

a [m

]

Rychlost větru[ms]

21

124 Miacutestniacute faktory ovlivňujiacuteciacute rychlost větru

Rychlost větrneacuteho prouděniacute neovlivňujiacute pouze globaacutelniacute faktory jako je topografie geografickeacute umiacutestěniacute a dalšiacute faktory širšiacuteho charakteru Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru se měniacute takeacute s drsnostiacute povrchu turbulenciacute za překaacutežkami Zvyacutešenaacute drsnost povrchu v protisměru převlaacutedajiacuteciacuteho větru může zvyacutešit jeho rychlost v ose rotoru s naacuteslednyacutem zvyacutešeniacutem vyacutekonu [2] Pro kvantitativniacute vyhodnoceniacute vlivu drsnosti povrchu na rychlost větru se použiacutevaacute vztah mezi vyacuteškami osy rotoru a odpoviacutedajiacuteciacutemi rychlostmi větru a vypadaacute takto

kde v rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce osy rotoru h vref rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce rotoru href α exponent jehož hodnota vyjadřuje charakter drsnosti

Pro danou lokalitu je potřebneacute naleacutezt hodnotu exponentu α z vyacutesledků měřeniacute rychlosti větru Typickeacute obecneacute hodnoty exponentů pro větrnou elektraacuternu s referenčniacute vyacuteškou 35 m jsou v tabulce 2

Drsnost povrchu α [ - ]

Faktor zvyacutešeniacute [ - ]

Velmi niacutezkaacute (klidnaacute hladina moře)

010 145

Niacutezkaacute (louky pole)

016 182

Průměrnaacute (les křoviny)

020 212

Vyššiacute (vesnice roztroušeneacute domy)

028 286

Vysokaacute (město s vysokyacutemi budovami)

040 450

Tab 2 Hodnoty exponentu α [4]

Dalšiacutem důležityacutem faktorem ovlivňujiacuteciacutem rychlost větru a chod větrneacute elektraacuterny je turbulence Turbulence je charakterizovanaacute rychlyacutemi změnami rychlosti větru a je měřena standardniacute odchylkou σ od středniacute hodnoty okamžiteacute rychlosti větru zaznamenanyacutech každeacute 2 sekundy po dobu 10 minut Intenzita turbulence je definovanaacute ke středniacute hodnotě rychlosti větru vstr je často definovanaacute jako

v = vref sdothhref

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

α

22

Intenzitu turbulence v miacutestě zamyacutešleneacute instalace větrneacute elektraacuterny je potřebneacute porovnat se standarty mezinaacuterodniacute elektrotechnickeacute komise IEC Tyto standarty pomaacutehajiacute při určeniacute zda turbulence v daneacutem miacutestě nejsou mimo předepsaneacute limity Pokud hodnoty intenzity turbulenciacute přesahujiacute limity způsobily by zkraacuteceniacute životnosti větrneacute elektraacuterny hlavně vlivem uacutenavy konstrukčniacutech materiaacutelů IEC standarty použiacutevajiacute 2 hodnoty

vysokyacute horniacute limit VHL = 012middotvstr+095 niacutezkyacute horniacute limit NHL = 012middotvstr+060

Je-li intenzita turbulence menšiacute než niacutezkyacute horniacute limit je lokalita vhodnaacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Pokud je intenzita většiacute než vysokyacute horniacute limit vyacutestavba neniacute vhodnaacute Turbulence děliacuteme podle druhu vzniku na mechanickou termickou a dynamickou Mechanickaacute turbulence vznikaacute třeniacutem proudiacuteciacuteho vzduchu o nerovnyacute zemskyacute povrch Intenzita mechanickeacute turbulence je zaacutevislaacute na členitosti tereacutenu (stromy les budovy) a na rychlosti větru Zvlaacuteštniacutem druhem mechanickeacute turbulence je turbulence orografickaacute Orografickaacute turbulence vznikaacute důsledkem prouděniacute vzduchu přes horskeacute překaacutežky Tato turbulence vznikaacute i při stabilniacutem zvrstveniacute vzduchu v důsledku vyacuterazneacute deformace vzdušneacuteho proudu V zaacutevětřiacute horskyacutech hřebenů vznikajiacute vertikaacutelniacute pohyby o rychlosti plusmn 10 ms Jeseniacuteky jsou u pilotů kluzaacuteku vyhledaacutevaacuteny praacutevě kvůli časteacutemu vyacuteskytu orografickeacute turbulence kteraacute jim dovoluje provaacutedět přelety v řaacutedech stovek kilometrů Termickaacute turbulence vznikaacute v důsledku labilniacuteho zvrstveniacute atmosfeacutery při prouděniacute studeneacuteho vzduchu nad teplejšiacute povrch nebo v důsledku nerovnoměrneacuteho ohřevu zemskeacuteho povrchu Dynamickaacute turbulence vznikaacute v oblastech velkeacuteho střihu větru Nejčastěji je spojena s oblastmi proudoveacuteho toku

I = σvstr

23

2Elektrolyacuteza

Viacutece než 400 průmyslovyacutech vodniacutech elektrolyzeacuterů bylo v provozu na začaacutetku devatenaacutecteacuteho stoletiacute V roce 1939 byla vybudovaacutena prvniacute velkaacute tovaacuterna v Lonze využiacutevajiacuteciacute vodniacute elektrolyacutezu kteraacute produkovala 10000 Nm3 H2 hod Převaacutežnaacute většina světově produkovaneacuteho vodiacuteku je spotřebovaacutena v petrochemickeacutem průmyslu a při vyacuterobě amoniaku a methanolu Elektrolytickyacute vodiacutek je využiacutevaacuten v menšiacutech aplikaciacutech zvlaacuteště tam kde je požadovaacutena vysokaacute čistota vodiacuteku V potravinaacuteřskeacutem průmyslu je vodiacutek použiacutevaacuten pro zvyacutešeniacute stupně nasyceniacute u tuků a olejů zvyšuje tak jejich bod taacuteniacute a odolnost vůči oxidaci V elektronickeacutem průmyslu je použiacutevaacuten jako redukčniacute činidlo v epitaxaacutelniacutem růstu polysilikonu a ve vyacuterobě integrovanyacutech obvodů V jaderneacutem průmyslu vodiacutek zastupuje roli čističe kysliacuteku kdy odstraňuje kysliacutekoveacute stopy ktereacute mohou způsobit korozniacute poškozeniacute materiaacutelu Maleacute množstviacute vodiacuteku je použiacutevaacuteno takeacute ve farmaceutickeacutem sklaacuteřskeacutem a plasma průmyslu Diacuteky sveacute dobreacute tepelneacute vodivosti je použiacutevaacuten jako chladiacuteciacute meacutedium v elektrickyacutech generaacutetorech elektraacuteren Proces elektrolyacutezy je elektrochemickyacute rozpad molekuly vody na jednotliveacute složky jmenovitě vodiacutek a kysliacutek [7] Podle druhu elektrolytu použiacutevaneacuteho pro přenos elektrickeacuteho proudu v procesu děliacuteme elektrolyacutezu vody na 4 zaacutekladniacute typy Na začaacutetku 19 stoletiacute použiacutevaly prvniacute zařiacutezeniacute na elektrolyacutezu jako elektrolyt kyselinu později bylo od teacuteto metody odstoupeno převaacutežně pro probleacutemy s koroziacute Elektrolyzeacutery použiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolytickou membraacutenu jsou druhyacutem typem Použitaacute membraacutena vodiacute protony a nepropouštiacute kysliacutek Tato technologie je relativně novaacute takže v současneacute době neexistujiacute velkeacute aplikace tohoto druhu elektrolyacutezy Dalšiacutem typem elektrolyacutezy je tzv parniacute elektrolyacuteza probiacutehajiacuteciacute při vysokeacute teplotě použiacutevajiacuteciacute keramickyacute elektrolyt vodiacuteciacute kysliacutekovyacute ion tento způsob maacute potenciaacutel pro vysokou uacutečinnost v současneacute době prokaacutezanou pouze laboratorně V dnešniacute době je nejrozšiacuteřenějšiacute elektrolyacuteza použiacutevajiacuteciacute alkalickyacute elektrolyt nejčastěji hydroxid draselnyacute

21Princip elektrolyacutezy

Při vedeniacute stejnosměrneacuteho proudu mezi dvěma elektrodami ve vodě vznikaacute vodiacutek kysliacutek a teplo podle naacutesledujiacuteciacute rovnice

Čistaacute voda je ovšem špatně vodivaacute proto se musiacute byacutet přidaacuten vodivyacute elektrolyt kteryacute zajistiacute technicky akceptovatelnou uacuteroveň potřebneacuteho napětiacute Elektrickeacute napětiacute přivedeneacute na elektrody musiacute přesaacutehnout minimaacutelniacute hodnotu tak aby reakce proběhla Hodnota tohoto napětiacute je určena Gibbsovou entalpiiacute rozkladu vody a je funkciacute tlaku a teploty Za standardniacutech podmiacutenek (teplota 25 degC tlak 1 bar) je to 123 V Teoretickaacute energie potřebnaacute pro průběh elektrolyacutezy se vyjadřuje pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vyacuterazu

kde ΔH změna entalpie reakce ΔG změna Gibbsovy volneacute energie T teplota a ΔS změna entropie Změna entalpie při standardniacutech podmiacutenkaacutech je 2858 kJmol Změna Gibbsovy volneacute energie je při standardniacutech podmiacutenkaacutech 2372 kJmol To znamenaacute

H2O⎯rarr⎯ H2 +12O2

ΔH = ΔG +T sdot ΔS

24

že 2372 kJ mol z 2858 kJmol musiacute byacutet dodaacuteno elektrickyacutem proudem a zbylaacute čaacutest může byacutet dodaacutena elektrickyacutem proudem nebo teplem V reaacutelnyacutech podmiacutenkaacutech pro niacutezkoteplotniacute elektrolyacutezy je však veškeraacute potřebnaacute energie dodaacutena elektrickyacutem proudem [8] Dalšiacute termodynamickou charakteristikou elektrolyacutezy je reverzibilniacute napětiacute Vyjadřuje minimaacutelniacute elektrickyacute potenciaacutel potřebnyacute k elektrolytickeacute reakci při standardniacutech podmiacutenkaacutech se rovnaacute 123 V

kde 2 je počet elektronů potřebnyacutech k rozděleniacute molekuly vody a F je Faradayova konstanta Termoneutraacutelniacute napětiacute je napětiacute při ktereacutem by pracoval dokonale efektivniacute člaacutenek v přiacutepadě že veškereacute potřebnaacute energie je dodaacutevaacutena elektrickyacutem proudemPro standardniacute podmiacutenky se rovnaacute 148 V a je vyjaacutedřeno naacutesledujiacuteciacutem vztahem

Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem menšiacutem než je napětiacute reverzibilniacute nedojde k rozkladu molekuly vody Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem v rozmeziacute mezi reverzibilniacutem a termoneutraacutelniacutem napětiacute elektrolytickyacute proces je endotermickyacute Je potřeba dodat teplo pro rozpad molekuly vody Napětiacute většiacute než termoneutraacutelniacute napětiacute maacute za naacutesledek že proces je exotermickyacute a veškeraacute energie je dodaacutena z elektrickeacuteho proudu Přidaneacute teplo je potřeba odstranit Reversibilniacute i termoneutraacutelniacute napětiacute jsou funkcemi teploty tlaku a složeniacute elektrolytu [8] Zaacutekladniacutemi čaacutestmi člaacutenku na vodniacute elektrolyacutezu je katoda anoda a oddělovač Katoda musiacute byacutet odolnaacute korozi umiacutestěnaacute v elektrolytu s redukčniacutem potenciaacutelem Katoda musiacute byacutet dobryacute vodič a miacutet strukturaacutelniacute celistvost Elektrody jsou od sebe odděleny membraacutenou nepropouštějiacuteciacute plyny

22Typy elektrolyacutezy

221Alkalickaacute elektrolyacuteza

Alkalickaacute elektrolyacuteza je v současnosti komerčně nejpoužiacutevanějšiacute elektrolyacutezou Tři největšiacute elektrolyzeacutery byly instalovaacuteny ve 40 letech na dodaacutevky vodiacuteku do zařiacutezeniacute na vyacuterobu amoniaku a naacuteslednou vyacuterobu hnojiva Tyto elektrolyzeacutery jsou umiacutestěny v Indii (De Nora) Norsku (Norsk-Hydro) a Egyptě (Demag) Obraacutezek 8 scheacutematicky zobrazuje alkalickyacute elektrolytickyacute člaacutenek

Erev =ΔG2 sdotF

Etn =ΔH2 sdotF

25

Obr 8 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [8]

V alkalickeacutem člaacutenku probiacutehaacute naacutesledujiacuteciacute zjednodušenaacute reakce

V elektrolytu 2H2O⎯rarr⎯ 2H + + 2OH minus

Na katodě 2H + + 2eminus ⎯rarr⎯ H2

Na anodě 2OH minus ⎯rarr⎯ 1

2+ H2O + 2eminus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ H2 +O2

Alkalickaacute elektrolyacuteza probiacutehaacute při teplotě kolem 80degC a při tlaku v rozmeziacute 1 až 30 barů Pro průběh elektrolyacutezy je zapotřebiacute zajistit plynulyacute pohyb hydroxidovyacutech ionů (OH-) z katody na anodu ale zabraacutenit smiacutechaacuteniacute produkovanyacutech plynů Tyto požadavky splňuje tzv separaacutetor (membraacutena nebo clona) Separaacutetorje umiacutestěn mezi elektrody a diacuteky svyacutem charakteristickyacutem vlastnostem propouštiacute hydroxidoveacute iony zatiacutemco zabraňuje v pronikaacuteniacute jednotlivyacutech plynů Voda je obvykle přidaacutevaacutena do cirkulujiacuteciacuteho elektrolytu je to takeacute způsob jak odstranit odpadoveacute teplo z reakce a kontrolovat teplotu procesu Tradičniacute alkalickeacute elektrolyzeacutery jsou konstruovaacuteny pomociacute tzv zero gap design (naacutevrh bez mezery) kde anoda i katoda jsou umiacutestěny do bezprostředniacute bliacutezkosti separaacutetoru Umiacutestěniacute obou elektrod bliacutezko sebe maacute za naacutesledek sniacuteženiacute ohmickyacutech ztraacutet v elektrolytu Pokud se při elektrolyacuteze vytvaacuteřiacute bublinky plynů jsou transportovaacuteny do zadniacute strany elektrod skrze mezery v perforovanyacutech elektrodaacutech a tiacutem paacutedem nebudou blokovat proud ionů mezi elektrodami Vodiacutek je ziacuteskaacutevaacuten na katodaacutech jeho čistota je až 98 objemovyacutech kde jedinyacutemi nečistotami jsou kysliacutek a voda Vodiacutek může byacutet daacutele čištěn až na koncentraci teacuteměř 100 a to odstraněniacutem kysliacuteku v katalytickeacutem deoxideacuteru a vody v sušičce Těmito procedurami ovšem ztratiacuteme 5-10 celkoveacute produkce vodiacuteku Je potřeba si tuto ztraacutetu uvědomit při požadavciacutech na 100 čistyacute vodiacutek

26

Na obraacutezku 9 je zjednodušenyacute diagram průmysloveacuteho uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy Vodiacutek a kysliacutek opouštějiacute proces kde dochaacuteziacute k elektrochemickeacute disociaci vody odděleně přes naacutedoby HV a OV kde jsou odstraňovaacuteny zbytky elektrolytickeacuteho roztoku Elektrolyt a plyny jsou daacutele ochlazeny Z naacutedob pokračujiacute přes filtry HF A OF k odstraněniacute stop po elektrolytu Kysliacutek je uložen nebo spotřebovaacuten v dalšiacutech aplikaciacutech Vodiacutek může byacutet takeacute použiacutet ihned po průchodu filtry nicmeacuteně na obraacutezku 9 prochaacuteziacute dalšiacute čistiacuteciacute sekciacute Čistiacuteciacute sekce se sklaacutedaacute z deoxideacuteru kde dochaacuteziacute ke spalovaacuteniacute kysliacuteku obsaženeacuteho ve vodiacuteku na vodniacute paacuteru kteraacute je daacutele odstraněna v sušičce

Obr 9 Průmysloveacute uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy [7]

222Elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute membraacutenu

Kyseleacute roztoky nejsou v dnešniacute době přiacuteliš použiacutevaacuteny v průmysloveacute elektrolyacuteze vody ale i přesto nabiacutezejiacute alternativu k tekutyacutem alkalickyacutem elektrolytům Polymerniacute membraacuteny se vyznačujiacute velmi dobrou vodivostiacute protonů a špatnou vodivostiacute elektronů Polymerniacute membraacutena tak umožňuje tok protonů mezi elektrodami a zaacuteroveň zabraňuje stejneacutemu pohybu elektronů Elektrony musiacute použiacutet vnějšiacute obvod pro přechod mezi elektrodamiPro kyselyacute elektrolyt vypadaacute rovnice elektrolyacutezy naacutesledovně

Katoda 2H 3O + 2eminus ⎯rarr⎯ 2H2O + H2

Anoda 3H2O⎯rarr⎯ 2H 3O+ +O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

27

Obr 10 Scheacutema elektrolyacutezy s polymerniacute membraacutenou

Polymerniacute membraacutena zastupuje roli jak separaacutetoru tak elektrolytu Většina materiaacutelu membraacuten je založena na sulfonovanyacutech fluoropolymerech k vedeniacute protonů Nejznaacutemějšiacute materiaacutelem membraacuten je tzv Nafionreg kteryacute byl vyvinut společnostiacute Dupont Sulfonoveacute kyseliny jsou vysoce hydrofilniacute (přitahuje vodu) na druhou stranu fluropolymer je hydrofobniacute (odpuzuje vodu) Uvnitř hydratovanyacutech oblastiacute se H+ iony (protony) mohou relativně volně pohybovat tedy vytvaacuteřet zřeďovaneacute kyseliny H+ iony se mohou pohybovat na kraacutetkeacute vzdaacutelenosti i mimo hydratovaneacute oblasti pomociacute podporujiacuteciacutech dlouhyacutech molekulovyacutech struktur Tento pohyb je mnohem obtiacutežnějšiacute Hydratovanaacute membraacutena je tedy jeden z důležityacutech faktorů usnadňujiacuteciacute pohyb protonů a tiacutem paacutedem celkovou miacuteru elektrolyacutezy Horniacute limit teploty pro vyacuteměnu elektronů membraacutenou je okolo 125-150 degC ale většina elektrolyzeacuterů pracuje v režimu s tekutou vodou při teplotě cca 80 degC Vyššiacute pracovniacute teploty ktereacute by zlepšily kinematiku reakce můžeme dosaacutehnout diacuteky novyacutem polymerniacutem materiaacutelům nebo keramickyacutem materiaacutelům vodiacuteciacutem protony Vyššiacute teplota ovšem maacute za naacutesledek generaci většiacuteho množstviacute tepla Teplo musiacute byacutet odstraněno pomociacute cirkulace dostatečneacuteho množstviacute vody podeacutel anodoveacute elektrody člaacutenku Elektrody jsou většinou tvořeny tenkou vrstvou platinoveacuteho katalyzaacutetoru připevněneacuteho k membraacuteně Platina je považovaacutena za nejlepšiacute katalyzaacutetor jak pro anodu tak katodu diacuteky svyacutem termodynamickyacutem a kinetickyacutem vlastnostem Platina je nejnaacutekladnějšiacute čaacutesti elektrolytickyacutech člaacutenků i přes to že se množstviacute použiacutevaneacute platiny značně sniacutežilo [9] Elektrolyacuteza s pevnou membraacutenou pracuje s vyššiacute proudovou hustotou než alkalickaacute elektrolyacuteza I přes vyššiacute ceny materiaacutelů je pro ně potřebnaacute menšiacute plocha člaacutenků pro produkci stejneacuteho množstviacute vodiacuteku než pro alkalickeacute člaacutenky

28

223Parniacute elektrolyacuteza

Parniacute elektrolyacuteza probiacutehaacute za mnohem vyššiacute teploty než předešleacute typy typicky je to kolem 900-1000 degC a voda je do procesu přivaacuteděna jako paacutera Elektrolyt je vyroben z pevneacuteho keramickeacuteho materiaacutelu kteryacute vede kysliacutekoveacute iony Vysokaacute provozniacute teplota je nezbytnaacute pro keramickyacute materiaacutel aby byl dostatečně iontově vodivyacute Parniacute elektrolyzeacutery dodaacutevajiacute velkou čaacutest potřebneacute energie na elektrolyacutezu pomociacute tepla z paacutery miacutesto elektřiny [9] Principiaacutelně funguje stejně jako elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolyt Pevnyacute keramickyacute elektrolyt dovoluje kysliacutekovyacutem ionům prochaacutezet materiaacutelem od katody k anodě zatiacutemco zabraňuje pohybu elektronů ktereacute se přemisťujiacute externiacutem obvodem Keramickyacute elektrolyt takeacute zabraňuje promiacutechaacutevaacuteniacute vznikajiacuteciacutech plynů Na obraacutezku 11 je scheacutematicky zobrazen princip parniacute elektrolyacutezy

Obr 11 Princip parniacute elektrolyacutezy [9]

Zaacutekladniacute reakce probiacutehaacute v elektrodaacutech a odlišuje se od předešlyacutech způsobů elektrolyacutezy Celkovaacute reakce rozpadu vody zůstaacutevaacute nezměněna

Katoda H2O + 2eminus ⎯rarr⎯ H2 +O2minus

Anoda O2minus ⎯rarr⎯ 1

2O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

Vodniacute paacutera je je přivaacuteděna do komory u anody kde reaguje s elektrony a rozpadne se na vodiacutekoveacute a kysliacutekoveacute ionty Po přechodu k anodě kysliacutekoveacute ionty uvolňujiacute elektrony a tak vytvořiacute plynnyacute kysliacutek

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů

Za uacutečelem ziacuteskaacuteniacute požadovaneacuteho množstviacute vodiacuteku jsou elektrolyzeacutery tvořeny většiacutem počtem elektrolytickyacutech člaacutenků nebo paacuterů elektrod ktereacute mohou byacutet spojeny seacuteriově nebo paralelně Existujiacute dva druhy uspořaacutedaacuteniacute člaacutenků a to monopolaacuterniacute (naacutedržovyacute) a bipolaacuterniacute

29

V monopolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute je každaacute elektroda spojena a je napaacutejena externiacutem proudem Elektrody jsou jedno-polaacuterniacute každaacute je katoda nebo anoda Člaacutenky jsou spojeny paralelně tudiacutež napětiacute je stejneacute jak v jednotlivyacutech člaacutenciacutech tak v celeacute naacutedrži bez ohledu na celkovyacute počet člaacutenků Napětiacute je typicky kolem 12 - 2 V Tato konfigurace je jednoduchaacute robustniacute a snadnaacute na uacutedržbu Použiacutevajiacute se relativně levneacute čaacutesti a jednotliveacute buňky jsou snadno izolovatelneacute pro provedeniacute uacutedržby Ze sveacute podstaty maacute většiacute spotřebu energie diacuteky poklesu potenciaacutelu v člaacutenciacutech a je nutneacute použiacutevat vysokyacute proud pro přiměřenou produkci [9]

Obr12 Princip monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute [9]

V bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute jsou elektrody bipolaacuterniacute každaacute elektroda je na jedneacute straně anoda a na druheacute katoda s vyacutejimkou dvou koncovyacutech elektrod z nichž je jedna anoda a druhaacute katoda Buňky jsou spojeny elektricky paralelně a hydraulicky seacuteriově jak je zobrazeno na obraacutezku 13 Proud teče z jedneacute buňky do druheacute a tiacutem paacutedem je stejnyacute pro všechny buňky Celkoveacute napětiacute člaacutenku je rovno součtu napětiacute jednotlivyacutech buněk Každeacute napětiacute zaacutevisiacute na proudoveacute hustotě což je proud na jednotku plochy elektrody a na teplotu elektrolyacutezy V praxi je volt-ampeacuterovaacute charakteristika elektrolyzeacuteru unikaacutetniacute zaacutevisejiacuteciacute na aktivitě elektrody tepelneacute uacutečinnosti a dalšiacutech konstrukčniacutech charakteristikaacutech elektrolyzeacuteru [7]

Obr 13 Princip bipolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute zdroj [9]

V současneacute době neexistujiacute elektrolyzeacutery vyvinuty speciaacutelně pro použitiacute s větrnyacutemi elektraacuternami nicmeacuteně rychlaacute reakce elektrochemickeacuteho systeacutemu na změny energie je dělaacute vhodnyacutemi pro zaacutetěž vyskytujiacuteciacute se při tomto spojeniacute

30

s větrnyacutemi rotory Vyacutepadky dodaacutevek elektřiny však mohou způsobit probleacutemy s koroziacute na elektrodaacutech pokud nejsou chraacuteněny polarizačniacutem proudem v přiacutepadě vyacutepadku dodaacutevky

24Uacutečinnost elektrolyacutezy

V literatuře existuje nejednotnost vyacutekladu co vlastně uacutečinnost elektrolyacutezy je a jak se určuje Autoři zmiňujiacute uacutečinnost energetickou uacutečinnost elektrickou uacutečinnost proudovou uacutečinnost elektrochemickou uacutečinnost Daacutele takeacute zaacutevisiacute zda se jednaacute o uacutečinnost celeacuteho systeacutemu nebo jednotlivyacutech člaacutenků[9][7]Nejobecnějšiacute definice energetickeacute uacutečinnosti elektrolytickeacuteho procesu je

Energetickaacute uacutečinnost = Energetickyacute vyacutestup Celkovaacute dodanaacute energie

V přiacutepadě konvenčniacute vodniacute elektrolyacutezy je energetickyacute vstup limitovaacuten velikostiacute dodaneacute elektrickeacute energie proto je energetickaacute uacutečinnost definovaacutena poměrem energie kteraacute může byacutet obnovena reoxidaciacute vodiacuteku a kysliacuteku za vzniku vody (vyacutehřevnost vodiacuteku) a energie dodaneacute systeacutemu prostřednictviacutem elektrickeacuteho proudu

Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy = Vyacutehřevnost Celkovaacute vstupniacute elektrickaacute energie

Podle teacuteto definice může uacutečinnost přesaacutehnout hodnotu 100 jelikož nebere v uacutevahu energii dodanou do procesu teplem Toto je přiacutepad kdy elektrolyzeacuter pracuje pod termoneutraacutelniacutem napětiacutem když teplo okoliacute je použito jako energetickyacute zdroj a definice jej nebere v uacutevahu [9] Na uacuterovni člaacutenku se energetickaacute uacutečinnost elektrolyacutezy vyjadřuje jako poměr termoneutraacutelniacuteho napětiacute UTN (při standardniacutech podmiacutenkaacutech UTN = 148 V) vůči skutečneacutemu napětiacute člaacutenku U vynaacutesobeno uacutečinnostiacute proudu Uacutečinnost proudu φP je jednoduše poměr počtu elektronů teoreticky potřebnyacutech pro pro vyacuterobu daneacuteho množstviacute vodiacuteku ku skutečneacutemu počtu elektronů dodanyacutech elektrickyacutem proudem potřebnyacutech k vyacuterobě daneacuteho množstviacute vodiacuteku Tato uacutečinnost je typicky kolem 999 Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy ηel je tedy vyjaacutedřena naacutesledujiacuteciacutem vztahem

V zaacutevislosti na zvoleneacutem typu elektrolyacutezy a pracovniacutemi podmiacutenkami se uacutečinnost pohybuje v rozmeziacute 75 - 95 Takto vysokeacute hodnoty uacutečinnosti platiacute pro elektřinu jako zdroj energie Pokud ovšem vezmeme elektřinu jako energetickyacute vyacutestup jineacuteho energetickeacuteho zdroje jako např uhliacute zemniacute plyn nebo zdroje obnovitelneacute energie tak celkoveacute uacutečinnost vyacuteroby vodiacuteku elektrolyacutezou klesne na hranici 30

25Napětiacute člaacutenků

Spotřeba energie elektrolyacutezy je přiacutemo spojena s napětiacutem na člaacutenku a nepřiacutemo s proudovou uacutečinnostiacute Jak už bylo zmiacuteněno dřiacuteve proudovaacute uacutečinnost se bliacutežiacute k hodnotě 100 tzn že důležityacutem parametrem při navrhovaacuteniacute elektrolytickyacutech člaacutenku je napětiacute na člaacutenku

ηel =UTN

UsdotϕP

31

Elektrolyacuteza vody za skutečnyacutech podmiacutenek vyžaduje napětiacute U ktereacute je podstatně vyššiacute než vratneacute napětiacute Urev Musiacute překonat elektrickyacute odpor v elektrodaacutech v elektrolytu mezi elektrodami a separaacutetoru Daacutele musiacute pokryacutet přepětiacute na elektrodaacutech Napětiacute na člaacutenku pak může byacutet vyjaacutedřeno

kde ηK je přepětiacute na katodě ηA je přepětiacute na anodě j je proudovaacute hustota a R je suma elektrickyacutech odporů založenaacute na aktivniacute ploše elektrod Elektrickyacute odpor v elektrodaacutech zaacutevisiacute na typu složeniacute materiaacutelu a teplotě Přepětiacute je určeno aktivitou plochy elektrod složeniacute elektrolytu a teplotou Ohmickyacute odpor spojenyacute s pohybem elektronů je v relativně nevyacuteznamnyacute v bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute představuje ale nezanedbatelnyacute vliv v přiacutepadě monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů [9]

26Vliv provozniacutech podmiacutenek

261Teplota

Zvyacutešeniacute teploty elektrolyacutezy snižuje vratneacute napětiacute UREV a tiacutem paacutedem i celkovou energii vstupujiacuteciacute do procesu Pokud teplota vzroste z 250degC na 1000degC vstupniacute elektrickaacute energie může byacutet sniacutežena o 25 Nicmeacuteně celkovaacute energie potřebnaacute k provedeniacute elektrolyacutezy při vysokeacute teplotě je o něco vyššiacute Vyacutehoda vysokeacute teploty v elektrolytickeacutem procesu je použitiacute tepla jako energetickeacuteho vstupu a tiacutem zvyacutešeniacute uacutečinnosti diacuteky zvyacutešeneacute kinetice procesu Pokud je zdroj tepla snadno dostupnyacute je všeobecně mnohem levnějšiacute než elektřina tento fakt pak může značně ovlivnit celkovou ekonomiku procesu [9]

262Tlak

Tlak při procesu elektrolyacutezy maacute takeacute vliv na energetickeacute požadavky pro vyacuterobu elektrolytickeacuteho vodiacuteku Vratneacute napětiacute při daneacute teplotě T a tlaku p může byacutet určeno z Nernstovi rovnice jako

kde R označuje univerzaacutelniacute plynovou konstantu n počet elektronů potřebnyacutech pro rozděleniacute molekuly vody (n=2) F pro Faradayovu konstantu a aktivita jednotlivyacutech molekul Urev T p=1 vratneacute napětiacute při teplotě T [K] a standardniacutem tlaku p=1 bar Aktivizačniacute koeficienty vodiacuteku aH2 a kysliacuteku aO2 mohou byacutet ziacuteskaacuteny z poměru tlaku vůči atmosferickeacutemu tlaku aH2=pH2p a aO2=pO2p Daacute se předpoklaacutedat že pH2=pO2=p protože tlak na Urev T p=1 kysliacutekoveacute i vodiacutekoveacute straně je stejnyacute Daacutele aktivita vody je přibližně rovna 1 a tlak p=1 bar pak dojde ke zjednodušeniacute Nernstovi rovnice na tvar

Pro teplotu T=298K napětiacute roste s tlakem podle tabulky 3

U =Urev +ηK +ηA + j sdotR

UrevT p =UrevT p=1 +R sdotTn sdotF

lnaH2 sdot(aO2 )

05

aH2O

UrevT p =UrevT p=1 +3sdotR sdotT4 sdotF

ln p

32

Tlak p [bar] 10 30 50 100 200

Urev T p=1 [mV] 44 65 75 89 102

Tab 3 Zaacutevislost reversibilniacuteho napětiacute na tlaku [7]

Elektrolyzeacuter pracujiacuteciacute při tlaku 10 barů při 155V by potřeboval pouze 1608 V pro praacuteci při 200 barech založeno na teoretickeacute uacutevaze kdy (155 V + (102 mV - 44mV))= 162 V Vysokyacute tlak sice zvyšuje teoretickeacute vratneacute napětiacute pouze o paacuter procent i tak je staacutele vyacutehodneacute ho použiacutet ve skutečnyacutech elektrolyzeacuterech a to z důvodu sniacuteženiacute spotřeby energie a to diacuteky zvyacutešeneacute efektivitě (snižuje pracovniacute napětiacute) a vyššiacute dosažitelneacute proudoveacute hustotě Vysokyacute tlak daacutele redukuje velikost plynovyacutech bublinek na plochaacutech elektrod tiacutem zvyšuje vyacutekon buňky Vyacutehody tak převaacutežiacute lehkeacute zvyacutešeniacute teoretickeacuteho napětiacute Hlavniacutem důvodem pro použitiacute vysokotlakeacuteho procesu elektrolyacutezy je ovšem absence potřeby stlačovaacuteniacute vodiacuteku po jeho produkci a tiacutem paacutedem sniacuteženiacute naacutekladů Elektrolyzeacutery dokaacutežiacute zajistit zvyacutešeniacute tlaku při relativně maleacute potřebě energie Malyacute pokles energetickeacute uacutečinnosti procesu vyvaacutežiacute eliminaci kompresoru při dalšiacutem zpracovaacuteniacute vodiacuteku Vysokyacute tlak kolem 400 barů může způsobit mechanickeacute probleacutemy na elektrolyzeacuteru a tiacutem zvyacutešit investičniacute naacuteklady

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku

Spotřeba energie elektrolytickyacutem člaacutenkem může byacutet určena přiacutemyacutem způsobem z pracovniacuteho napětiacute člaacutenku U a proudoveacute uacutečinnosti φP Počet elektronů e- potřebnyacutech pro ziacuteskaacuteniacute jednoho kilogramu vodiacuteku z vodniacute elektrolyacutezy je bez ohledu na pracovniacute podmiacutenky fixniacute a to 26589 kAh Tato hodnota vychaacuteziacute z faktu že 2 elektrony jsou potřeba k vytvořeniacute jedneacute molekuly vodiacuteku z vody zbylaacute čaacutest je jednoduchaacute konverze jednotek zohledněniacutem molaacuterniacute hmotnosti vodiacuteku

Specifickaacute energie elektrolyzeacuteru K v kWhkg H2 pak může byacutet určena pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

kde U je průměrneacute pracovniacute napětiacute jednoho člaacutenku a φi proudovaacute uacutečinnost Tato rovnice nezohledňuje energii potřebnou ke stlačeniacute vodiacuteku pokud je požadovaacuten tlak vyššiacute než kteryacute je na vyacutestupu z elektrolyzeacuteru Nezahrnuje ani malou čaacutest energie potřebnou k de-ionizaci vody a ke konverzi ze střiacutedaveacuteho na stejnosměrnyacute proud Každopaacutedně rovnice naacutem daacutevaacute dobrou představu o spotřebě energie pro samotnyacute elektrolyzeacuter V tabulce 4 jsou shrnuty zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

2eminus

H2

sdot 1000gH2

2016gH2 molH2

sdot 96487Cmol

sdot 1eminus

sdot 1kA1000C s

sdot 1h3600s

= 26589kAh

K = 26589 sdotUϕi

33

Alkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacuteza El pevneacuteho polymeru

Parniacute el

Technologie Konvenčniacute al el

Moderniacuteal el

Inorganickaacutemembraacutenaal el

Pevnyacutepolymer

Vysoko tep lo tn iacute elektrolyzeacuter

Napětiacute člaacutenku [V] 18 - 22 15 - 25 16 - 19 14 - 20 095 - 13

P r o u d o v aacute hustota[Acm2]

013 - 025 02 - 20 02 - 10 10 - 40 03 - 10

Teplota [degC] 70 - 90 80 - 145 90 - 120 80 - 150 900 - 1000

Tlak [bar] 1 - 2 až do 120 až do 40 až do 400 900 - 1000

Elektrolyt 25 - 35 KOH

25 - 40 KOH

14 - 15KOH

Flurosulfonovaacutekyselina Keramickyacute

Uacute č i n n o s t člaacutenku [] 77 - 80 80 - 90 85 - 95 85 - 98 90 - 99

S p o t ř e b a energie [kWhNm3 H2]

43 - 49 38 - 43 36 - 40 36 - 40 25 - 35

Tab 4 Zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

34

3Metody uskladněniacute vodiacuteku

Z důvodu pokrytiacute denniacutech a sezonniacutech rozdiacutelů mezi dostupnostiacute energie a požadavky na tuto energii musiacute byacutet vodiacutek skladovaacuten Vodiacutek může byacutet skladovaacuten v plynneacute formě kapalneacute formě a takeacute jako hydrid kovu Vodiacutek je velmi lehkyacute plyn s malou hustotou To znamenaacute že maleacute množstviacute vodiacuteku zabiacuteraacute velkyacute objem Ciacutelem tedy je zvyacutešit objemovou hustotu vodiacuteku Klasickeacute oceloveacute vysokotlakeacute oceloveacute naacutedoby jsou plněny až na tlak 200 barů Naacutedoby vyrobeneacute ze zesiacutelenyacutech uhliacutekovyacutech vlaacuteken mohou teoreticky uklaacutedat vodiacutek při tlaku až 600 barů prakticky byl dosažen tlak asi 450 barů Ciacutelem automobiloveacuteho průmyslu je však hodnota 700 barů pro skladovaacuteniacute plynneacuteho vodiacuteku při běžneacutem použiacutevaacuteniacute v automobilech To však požaduje vyacutevoj novyacutech kompozitniacutech materiaacutelů ktereacute odolajiacute vysokeacutemu tlaku a nestanou se při styku s vodiacutekem křehkyacutemi S vyššiacutem tlakem roste hustota ale samotnaacute komprese je velmi komplikovanyacute nebezpečnyacute a drahyacute proces Zvyacutešeniacute hustoty vodiacuteku lze takeacute dosaacutehnout zkapalněniacutem nebo převedeniacutem do pevneacuteho stavu Hustota tekuteacuteho vodiacuteku je cca 708 kgm3 v porovnaacuteniacute s hustotou vodiacuteku v pevneacutem stavu a to 706 kgm3 Kondenzačniacute teplota vodiacuteku je při tlaku 1 bar -252degC z toho vyplyacutevaacute že proces zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je velmi energeticky naacuteročnyacute Tekutyacute vodiacutek se tak použiacutevaacute pokud je nezbytneacute zajistit vysokou hustotu napřiacuteklad pro kosmickeacute aplikace[10] Vodiacutek je takeacute schopen vytvaacuteřet hydridy s některyacutemi kovy Vodiacutek v molekulaacuterniacute podobě je absorbovaacuten do atomoveacute mřiacutežky kovů Objemovaacute hustota takoveacuteho vodiacuteku je pak na uacuterovni vodiacuteku kapalneacuteho ale pokud vezmeme v potaz i samotnou hmotnost kovů pak je hustota mnohem nižšiacute V současneacute době je nejvyššiacute dosažitelnaacute hustota jen přibližně 007 kg H2kg kovu při vysokeacute teplotě Vodiacutek v pevneacutem stavu je nejbezpečnějšiacute cesta jak uskladnit energii zvlaacuteště pro stacionaacuterniacute a mobilniacute aplikace Hlavniacutem probleacutemem pro uskladněniacute vodiacuteku v pevneacutem stavu je samotnaacute vaacuteha naacutedržiacute vysokaacute desorpčniacute energie niacutezkaacute kinetika desorpce dlouhaacute doba nabiacutejeniacute vysokyacute tlak a přenos tepla Vodiacutek může byacutet skladovaacuten jako plyn při vysokyacutech tlaciacutech jako kapalina v kryogenniacutech zaacutesobniacuteciacutech jako plyn chemicky vaacutezanyacute (např v hydridech kovů) Na obraacutezku 14 je uveden objem vodiacuteku a hmotnost celeacuteho zařiacutezeniacute vztaženaacute k zmiacuteněnyacutem způsobům skladovaacuteniacute a daacutele v porovnaacuteniacute s benziacutenem metanolem a uchovaacutevaacuteniacutem energie v bateriiacutech (vztaženeacute na energetickyacute ekvivalent 990 000 Btu (1 044 500 kJ))

35

Obr 14 Objemoveacute a hmotnostniacute porovnaacuteniacute paliv odpoviacutedajiacuteciacutech energetickeacutemu ekvivalentu 990000 Btu [12]

Nejlepšiacute cestou skladovaacuteniacute vodiacuteku je jeho uloženiacute ve formě uhlovodiacutekovyacutech paliv ačkoliv tato varianta vyžaduje dodatečnyacute systeacutem jeho extrahovaacuteniacute Niacutezkaacute hustota vodiacuteku ve formě plynneacute i kapalneacute maacute za naacutesledek takeacute niacutezkou hodnotu hustoty energie Danyacute objem vodiacuteku tedy obsahuje meacuteně energie než stejnyacute objem jinyacutech paliv Proto se napřiacuteklad zvyšuje relativniacute skladovaciacute objem naacutedrže pro dosaženiacute daneacute dopravniacute vzdaacutelenosti Použitiacutem vodiacuteku v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků vyrovnaacutevaacuteme podmiacutenky s ostatniacutemi palivy tiacutem že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vyššiacute oproti uacutečinnosti spalovaciacutech motorů takže bude zapotřebiacute meacuteně paliva a tiacutem i energie k dosaženiacute stejneacuteho energetickeacuteho vyacutesledku [12] Přes niacutezkou objemovou energetickou hustotu disponuje vodiacutek nejvyššiacutem poměrem energie k hmotnosti ze všech paliv Avšak tuto vyacutehodu obvykle zastiňuje velkaacute hmotnost zaacutesobniacuteku a naacutevaznyacutech zařiacutezeniacute Většina zaacutesobniacuteků vodiacuteku je značně rozměrnyacutech a těžkyacutech mnohem viacutec než použiacutevaneacute naacutedrže pro benziacuten

36

či naftu [12] Existujiacute i dalšiacute noveacute metody uskladněniacute vodiacuteku jako aktivovanyacute povrch uhliacuteku pomociacute skleněnyacutech mikrokuliček a komplexů polyhydridů Tyto technologie zvyšujiacute objemovou hustotu skladovaacuteniacute vodiacuteku jsou ovšem staacutele vyviacutejeny a v průmyslu zatiacutem nebyly implementovaacuteny [11]

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu

Měrnaacute akumulačniacute kapacita vodiacuteku v plynneacutem stavu zaacutevisiacute na skladovaciacutem tlaku Při skladovaacuteniacute za normaacutelniacutech podmiacutenek je i přes vysokeacute spalneacute teplo vodiacuteku akumulačniacute kapacita relativně niacutezkaacute a to asi 128 MJm3 Pokud se tlak zvyacutešiacute na 10 MPa akumulačniacute kapacita pak bude 1200 MJm3 [10] Stlačenyacute vodiacutek se uskladňuje v tlakovyacutech lahviacutech podobnyacutech těm ktereacute jsou použiacutevaacuteny pro stlačenyacute zemniacute plyn Většina tlakovyacutech zaacutesobniacuteků maacute vaacutelcovyacute tvar s půlkulovyacutemi vypuklyacutemi dny V současneacute době je snaha budovat zaacutesobniacuteky uspořaacutedaneacute za sebou a deformovat vaacutelcovyacute tvar pro zvětšeniacute užitečneacuteho objemu Otvory ve středu půlkulovyacutech den pak umožňujiacute průtok plynu do tlakoveacute naacutedoby a jsou osazeny regulaacutetory a zaacutekladniacutemi prvky řiacutezeniacute průtoku Jeden osazenyacute koncovyacute prvek působiacute primaacuterně jako uzaviacuteraciacute ventil ačkoli obsahuje i pojistnyacute ventil a může daacutele obsahovat i sniacutemače teploty a tlaku pro měřeniacute veličin stavu plynu v zaacutesobniacuteku Druheacute osazeniacute je pak již složityacutem zařiacutezeniacutem ktereacute se sklaacutedaacute ze solenoidoveacuteho nebo elektromagnetickeacuteho ventilu manuaacutelniacuteho uzaviacuteraciacuteho ventilu jednosměrneacuteho ventilu a tlakoveacuteho pojistneacuteho ventilu [12] Elektromagnetickyacute ventil uzaviacuteraacute zaacutesobniacutek a izoluje naacutedobu v přiacutepadě že zařiacutezeniacute je mimo provoz Odstavovaciacute ventil uzavře průtok plynu ze zaacutesobniacuteku jestliže je průtok přiacuteliš velkyacute (např praskne-li trubka) Manuaacutelniacute uzaviacuteraciacute ventil umožňuje aby obsah zaacutesobniacuteku byl uzavřen nebo vypuštěn manuaacutelně v přiacutepadě poruchy elektromagnetickeacuteho ventilu Jednosměrnyacute ventil umožňuje plněniacute zatiacutemco elektromagnetickyacute ventil je uzavřen Pojistnyacute tlakovyacute ventil (na obou konciacutech vaacutelce) vypouštiacute obsah zaacutesobniacuteku v přiacutepadě kdy je vystaven působeniacute vysokyacutech vnitřniacutech tlaků či vysokyacutech okolniacutech teplot (např vystaveniacute ohni) Termiacutenem bdquovysokotlakyacute plynldquo obvykle označujeme plyn s tlaky vyššiacutemi jak 207 barg (3 000 PSIg) a to v přiacutepadě kdy hovořiacuteme o skladovaacuteniacute plynů

37

Obr 15 Konstrukce laacutehve Typu 3 [12] Tlaky vyššiacute jak 2 barg (30 PSIg) představujiacute dostatečnou hrozbu zraněniacute člověka a proto i o nich můžeme v terminologii hovořit jako o vysokyacutech Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky plynu musiacute byacutet konstruovaacuteny z tlustostěnnyacutech vysokopevnostniacutech materiaacutelů a musiacute byacutet velice trvaleacute Zaacutesobniacuteky jsou klasifikovaacuteny do čtyř typů v zaacutevislosti na použiteacutem konstrukčniacutem materiaacutelu viz tabulka 5 Obecně lze řiacuteci že čiacutem meacuteně použiteacuteho kovu tiacutem menšiacute hmotnost zaacutesobniacuteku Z tohoto důvodu je obvykle u vodiacutekovyacutech aplikaciacute použiacutevaacuten typ 3 na obraacutezku 15 V budoucnu však pravděpodobně ziacuteskaacute vyacutesadniacute postaveniacute typ 4 Specifickaacute hmotnost pak zaacutevisiacute individuaacutelně na vyacuterobě daneacuteho typu Jako referenčniacute objem bereme 35 ft3(100 l) U oceloveacuteho zaacutesobniacuteku typu 1 je hmotnost zaacutesobniacuteku přibližně 100 kg u typu 3 65 kg a v přiacutepadě typu 4 je hmotnost zaacutesobniacuteku cca 30 kg [12]

Typ lahve

Popis Hmotnostikovkompozit

Typ 1 Laacutehev kompletně z oceli a hliniacuteku 1000

Typ 2 Laacutehev s kovovyacutem pruhem z oceli čiacute hliniacuteku a s obručemi z kompozitniacuteho materiaacutelu

5545

Typ 3 Laacutehev zcela zabalenaacute do kompozitniacuteho materiaacutelu s tenkyacutemi vrstvami z oceli či hliniacuteku

2080

Typ 4 Laacutehev zcela zabalenaacute v kompozitniacutem materiaacutelu s plastickyacutemi vrstvami

0100

Tab 5 Klasifikace vysokotlakyacutech lahviacute na vodiacutek

38

Typ 3 ziacuteskaacutevaacute nejviacutece pevnosti z kompozitniacuteho obalu kteryacute je navinut kolem vnitřniacute vložky Kompozit se sklaacutedaacute z vysokopevnostniacutech vlaacuteken (obvykle uhliacutekatyacutech) jež jsou stmelena pryskyřiciacute (např epoxid) viz obraacutezek 15 Kombinace vlaacuteken a pryskyřice použiacutevaneacute pro tyto kompozitniacute zaacutesobniacuteky zaručujiacute extreacutemně vysokou odolnost Povrch kompozitu je meacuteně odolnyacute než povrch kovu a je viacutece naacutechylnyacute k fyzikaacutelniacutemu poškozeniacute (střih abraze naacuteraz atd) či chemickeacutemu poškozeniacute (čpavek kyseliny atd) avšak meacuteně naacutechylnyacute ke korozi Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky obvykle skladujiacute vodiacutek při 250 bar i když se zkoušejiacute zaacutesobniacuteky na provozniacute tlak 350 bar Současnyacute stav technologie jež je čaacutestečně ve stadiu vyacutevoje si dovoluje překračovat v testu roztrženiacute zaacutesobniacuteku hodnoty tlaku 1620 bar u zaacutesobniacuteku Typu 4 pak 700 bar Jakeacutekoliv plyny ktereacute se skladujiacute při těchto vysokyacutech tlaciacutech jsou extreacutemně nebezpečneacute a jsou schopny opouštět zaacutesobniacutek proudem plynu s explozivniacutemi uacutečinky sil nebo uvaacutedět do pohybu maleacute předměty jako projektily Neukotvenyacute zaacutesobniacutek se může změnit v raketu v přiacutepadě kdy plyn naacutehle začne proudit malyacutem otvorem Navzdory potenciaacutelniacutemu nebezpečiacute majiacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky velmi dobryacute stupeň bezpečnosti Provedeniacute zaacutesobniacuteku musiacute odpoviacutedat přiacutesnyacutem standardům a musiacute vydržet různeacute certifikačniacute testy Pro zajiacutemavost nesmiacute selhat během 13000 tlakovyacutech cyklech při 100 servisniacutem tlaku plus 5000 cyklů při 125 servisniacutem tlaku ani při 30 cyklech při 166 servisniacuteho tlaku Daacutele prochaacuteziacute testem na roztrženiacute zaacutesobniacuteku při 225 až 3 naacutesobku servisniacuteho tlaku Tlakovaacute laacutehev musiacute daacutele vydržet paacuted z vyacutešky naacuterazy naacuterazy kyvadlem a musiacute byacutet dokonce odolnaacute při vystaveniacute střelbě [12] Během vyacuteroby je každyacute zaacutesobniacutek vystaven hydrostatickyacutem tlakovyacutem testům a testům na těsnost vybraneacute zaacutesobniacuteky zadaneacute seacuterie jsou zkoušeny cyklickyacutemi a pevnostniacutemi testy uvedenyacutemi vyacutešeZaacutesobniacuteky jsou během vyacuteroby označeny je to jeden z nutnyacutech standardů vyacuteroby seacuteriovyacutem čiacuteslem servisniacutem a provozniacutem jmenovityacutem tlakem a datem zhotoveniacute U zaacutesobniacuteků jež nejsou vystavovaacuteny těžkyacutem externiacutem podmiacutenkaacutem a tlak plynu se pohybuje na jmenoviteacute hodnotě se očekaacutevaacute doba životnosti do 15 let nebo do 11 250 naplněniacute Inspekčniacute testy a testy těsnosti jsou rutinniacute součaacutesti uacutedržby Typickeacute mobilniacute aplikace použiacutevajiacute seacuterii zaacutesobniacuteků upevněnyacutech na společneacute rozvodneacute potrubiacute Při nominaacutelniacutem tlaku 250 bar systeacutem zaacutesobniacuteků vaacutežiacute asi čtyřikraacutet viacutece než srovnatelnyacute systeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute formě a zaujiacutemaacute viacutece než čtyřnaacutesobek prostoru V porovnaacuteniacute s benziacutenem je skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacute formě patnaacutectkraacutet naacuteročnějšiacute prostorově a třiadvacetkraacutet hmotnostně Řešeniacute probleacutemu pak vyžaduje napřiacuteklad pokrytiacute 50 střechy autobusu zaacutesobniacuteky vodiacuteku aby byly nahrazeny staacutevajiacuteciacute naacutedrže nafty Navzdory tomuto objemu je celkovaacute hmotnost vodiacuteku jen 40 až 50 kg a je zanedbatelnaacute v porovnaacuteniacute s hmotnostiacute zaacutesobniacuteků a externiacuteho vybaveniacute Skladovaacuteniacute plynu při ještě většiacutem tlaku daacutevaacute menšiacute skladovaciacute objem ale celkovaacute hmotnost zaacutesobniacuteku se přiacuteliš neměniacute jelikož zaacutesobniacuteky musiacute byacutet robustnějšiacute Současnyacute stav (2012) pro tento typ skladovaacuteniacute je 350 bar a hmotnostniacutem poměru 113 u zaacutesobniacuteku typu 4 Komprese plynu je energeticky naacuteročnyacute proces Čiacutem vyššiacute koncovyacute tlak tiacutem většiacute množstviacute energie je potřeba Avšak přiacuterůstek energie potřebneacute k dosaženiacute vyššiacuteho tlaku klesaacute takže počaacutetečniacute uacutesek zůstaacutevaacute energeticky intenzivnějšiacute čaacutestiacute procesu komprimaceVyvaacuteženiacute přiacuterůstku (snižovaacuteniacute) hustoty plynu při vyššiacutech tlaciacutech se staacutevaacute důležitou ekonomickou otaacutezkou v hospodařeniacute s energiiacute při vyššiacutech uacuterovniacutech komprese Užitečnou cestou k pochopeniacute energetickyacutech naacutekladů

39

na komprimaci je způsob jejich vyjadřovaacuteniacute procentem energie na komprimaci z celkoveacute energie obsaženeacute v zaacutesobniacuteku vodiacuteku Za teacuteto podmiacutenky je přibližnaacute spotřeba 5 z celkoveacute energie laacutetky v zaacutesobniacuteku při komprimaci na 350 bar Přesneacute množstviacute energie je samozřejmě zaacutevisleacute na průtoku a uacutečinnosti použiteacuteho kompresoru Ke skladovaacuteniacute vodiacuteku v podobě stlačeneacuteho plynu se využiacutevajiacute předevšiacutem podzemniacute poreacutezniacute zaacutesobniacuteky kolektory solneacute sloje či skalniacute dutiny Anglie a Francie majiacute dlouhodobou zkušenost na poli podzemniacuteho uskladněniacute vodiacuteku Britskyacute chemickyacute koncern ICI uskladňuje vodiacutek v třikraacutet pročištěneacute solneacute sloji v Teeside Vodiacutek je v teacuteto 366 m hlubokeacute sloji natlakovaacuten na 50 barů Od 1957 do 1974 GAZ DE FRANCE uskladňoval městskyacute plyn s obsahem vodiacuteku 50 v kolektoru s objemem 330 milioacutenů m3 Maleacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky jsou bez vyacutejimky provedeny jako nadzemniacute zařiacutezeniacute pro stlačenyacute plyn V průmysloveacutem sektoru se již vyskytla standardizace typů Vyacutesledkem jsou vaacutelcoviteacute zaacutesobniacuteky s maximaacutelniacutem provozniacutem tlakem 5 MPa a 28 m v průměrech ktereacute jsou k dostaacuteniacute s naacutesledujiacuteciacutemi deacutelkami (či vyacuteškami) 73 m (max obsah při 45 MPa je 1 305 Nm3) 108 m (max obsah 2 205 Nm3) a 19 m (max obsah 4 500 Nm3) V tomto přiacutepadě vyacutepočty pro energetickyacute obsah v hmotnostniacute či objemoveacute jednotce včetně samotneacuteho zaacutesobniacuteku vedou na hodnoty 024 ndash 031 kWhkg respektive 0135 kWhl [12] Podzemniacute zaacutesobniacuteky obdobneacute podzemniacutem zaacutesobniacuteků zemniacuteho plynu (v podzemniacutech kavernaacutech ve vodonosnyacutech vrstvaacutech ve vytěženyacutech ložisciacutech ropy apod) Skladovaacuteniacute vodiacuteku v těchto zaacutesobniacuteciacutech bude ovšem asi 3 x dražšiacute než skladovaacuteniacute zemniacuteho plynu převaacutežně kvůli menšiacute objemoveacute kapacitě vodiacuteku Nevyacutehoda takoveacuteho skladovaacuteniacute jsou ztraacutety ktereacute mohou dosaacutehnout až 3 procent ročně Tento typ uacuteložišť se již využiacutevaacute V Kielu se již od roku 1971 skladuje městskyacute plyn kteryacute obsahuje až 65 vodiacuteku v podzemniacutem zaacutesobniacuteku v hloubce 1330 m o objemu 32 000 m3 a tlaku 8 - 16 MPa [10] Nadzemniacute zaacutesobniacutekoveacute systeacutemy se běžně použiacutevajiacute v průmyslu zemniacuteho plynu v různyacutech rozměrovyacutech a tlakovyacutech uacuterovniacutech Běžneacute tlakoveacute lahve o objemu 50 litrů a tlaku 20 Mpa stacionaacuterniacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky s tlakem 20 MPa i většiacutem velkeacute kuloveacute zaacutesobniacuteky o objemu až 30 000 m3 a tlaku 12 - 16 Mpa Naacuteklady jsou u teacuteto metody dosti vysokeacute (komprese vysokotlakeacute naacutedoby) V přiacutepadě použitiacute v automobilu se tato metoda vykazuje rychlou dobou plněniacute a velkyacutem množstviacutem uskladněneacuteho vodiacuteku (na uacutekor bezpečnosti) Na plnou naacutedobu vodiacuteku vaacutežiacuteciacute okolo 40 kg s 39 kg vodiacuteku je auto schopno ujet až 600 km

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu

Systeacutemy skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute faacutezi překonaacutevajiacute mnoho probleacutemů spojenyacutech s objemem a hmotnostiacute při vysokotlakeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku avšak za cenu potřeby zajištěniacute kryogenniacutech teplot Kapalnyacute vodiacutek může byacutet skladovaacuten pod svyacutem bodem varu ktereacuteho za normaacutelniacutech podmiacutenek dosaacutehne při -252882 degC (20268 K) nebo takeacute bliacuteže podmiacutenek okolniacuteho tlaku v dvoustěnnyacutech super izolovanyacutech naacutedržiacutech neboli bdquodewarechldquo (Dewarovyacutech naacutedobaacutech) Tyto izolace jsou izolacemi vakuovyacutemi [12] Zaacutesobniacuteky tekuteacuteho vodiacuteku nepotřebujiacute vysokotlakeacute naacutedoby a proto nemusiacute byacutet tak robustniacute Vodiacutek nemůže byacutet skladovaacuten v zaacutesobniacuteciacutech neomezeně Všechny zaacutesobniacuteky bez ohledu na kvalitu izolace umožňujiacute transfer tepla mezi zaacutesobniacutekem a okoliacutem Velikost teplotniacute netěsnosti zaacutevisiacute na konstrukci a velikosti zaacutesobniacuteku

40

Tyto přiacutečiny přenosu tepla vedou k odpařovaacuteniacute vodiacuteku a zvyšovaacuteniacute tlaku Stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky kapalneacuteho vodiacuteku jsou stavěny nejčastěji ve formě kuloviteacute jelikož koule nabiacuteziacute nejmenšiacute povrch k daneacutemu objemu a proto nejmenšiacute plochu přestupu tepla [12] Zaacutesobniacuteky majiacute maximaacutelniacute konstrukčniacute přetlak kolem 5 bar v přiacutepadě že odběr vodiacuteku je menšiacute než jeho produkce a vypařovaacuteniacutem roste tlak v zaacutesobniacuteku až do hodnoty kdy je odveden pojistnyacutem ventilem Odplyněniacute sniacuteženiacute přetlaku tiacutemto způsobem neniacute jenom přiacutemou ztraacutetou využitelneacuteho paliva ale v přiacutepadě mobilniacutech jednotek i potenciaacutelniacute nebezpečiacute a to předevšiacutem v budovaacutech a garaacutežiacutech Současneacute automobiloveacute aplikace zaacutesobniacuteku kapalneacuteho vodiacuteku odvaacutedějiacute 1 až 2 za den Vodiacutek může byacutet čerpaacuten ze zaacutesobniacuteku buď jako kapalina nebo jako plyn V přiacutepadě že je použiacutevaacuten v jednotkaacutech s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem může byacutet kapalnyacute vodiacutek vstřikovaacuten přiacutemo do vaacutelce v zaacutevislosti na zvyšujiacuteciacutemsnižujiacuteciacutem se množstviacute spalovaneacuteho paliva a pracovniacutem zdvihu V přiacutepadě použitiacute v palivoveacutem člaacutenku plynnyacute vodiacutek může byacutet odčerpaacutevaacuten při odpoviacutedajiacuteciacutem tlaku pro zaacutesobovaacuteniacute daneacute reakce [12] Ačkoli skladovaacuteniacute kapalneacuteho vodiacuteku eliminuje nebezpečiacute spojenaacute s vysokotlakyacutem skladovaacuteniacutem plynů přinaacutešiacute daacutele nově vlastniacute nebezpečiacute spojenaacute s niacutezkyacutemi teplotami Vaacutežnaacute nebezpečiacute omrzlin existujiacute ve spojeniacute s kapalnyacutem vodiacutekem jeho paacuterami a kontaktniacutemi plochami Uhliacutekataacute ocel vystavenaacute teplotaacutem nižšiacutem -30 degC a to přiacutemo nebo nepřiacutemo se staacutevaacute křehkou a je naacutechylnaacute k lomu Vzduch může kondenzovat na povrchovyacutech plochaacutech ktereacute jsou podchlazeneacute může odkapaacutevat daacutele i na materiaacutely nebezpečneacute z pohledu vzniacuteceniacute požaacuteru nebo vyacutebuchu nebezpečiacute totiž spočiacutevaacute v naacutesledneacutem zvyacutešeniacute koncentrace [12] Zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je vzhledem k dosaacutehnutiacute extreacutemně niacutezkyacutech teplot energeticky velmi naacuteročnyacute intenzivniacute proces Zkapalňovaacuteniacute zahrnuje několik kroků Prvniacutem je komprese vodiacuteku v piacutestoveacutem kompresoru přechlazeniacute stlačeneacuteho plynu na teplotu zkapalněniacute dusiacuteku (-195 degC) naacutesleduje expanze přes turbiacutenu a posledniacutem krokem je katalytickaacute konverze na stabilniacute formu vodiacuteku Ve vyacutesledku je energie potřebnaacute k procesu zkapalněniacute ekvivalentem kteryacute překračuje 40 energetickeacute vztažneacute hodnoty vodiacuteku Kapalnou formu vodiacuteku lze relativně uacutečinně transportovat a lehce použiacutevat Je zřejmeacute že během zkapalňovaacuteniacute se vklaacutedajiacute do energie maximaacutelniacute investice a proto se jeviacute proziacuteraveacute skladovat a použiacutevat vodiacutek přiacutemo jako kapalinu kdykoli je to možneacute V zaacutevislosti na množstviacute zkapalňovaneacuteho vodiacuteku jsou použiacutevaacuteny různeacute zkapalňovaciacute metody Velkaacute zařiacutezeniacute obvykle využiacutevajiacute kombinace naacutesledujiacuteciacutech metod - turbiacutenovaacute Joule-Thomsonova či magnetokalorickaacute metoda Ve všech přiacutepadech je zkapalněniacute dosaženo kompresiacute naacutesledovaneacute určityacutem způsobem expanze buď nevratneacute využitiacutem škrtiacuteciacuteho ventilu či čaacutestečně vratneacute využitiacutem expanzniacuteho stroje Obvykle je použito 6 stupňů tepelneacuteho vyacuteměniacuteku přičemž prvniacute je chlazen tekutyacutem dusiacutekem V předposledniacutem kroku obstaraacutevaacute expanzi Joule-Thomsonův ventil Využitiacute magnetokalorickyacutech metod umožňuje přeměnu ortho-vodiacuteku na para-vodiacutek Po několika krociacutech je dosažen obsah para-vodiacuteku okolo 95 Para-vodiacutek maacute menšiacute energetickyacute obsah než ortho-vodiacutek[12] Způsob uskladněniacute kapalneacuteho vodiacuteku je obvykle proveden pomociacute uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků majiacuteciacutech perlitoveacute podtlakoveacute izolace V USA je mnoho obdobnyacutech zaacutesobniacuteků Největšiacute z nich patřiacute NASA a je situovaacuten na mysu Canaveral Tento zaacutesobniacutek maacute objem přibližně 3 800 m3 (přibližně 270 t LH2) Běžneacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky majiacute objemy od 1 500 l (přibližně 1 100 Nm3) až do 75 000 l

41

(přibližně 60 000 Nm3) V souvislosti s aktivitami tyacutekajiacuteciacutemi se dopravniacutech prostředků na vodiacutek byla v Německu vyvinuta malaacute přenosnaacute uskladňovaciacute zařiacutezeniacute Zaacutesobniacuteky pro automobily (umiacutestěneacute v testovanyacutech dopravniacutech prostředciacutech BMW) a autobusy (umiacutestěneacute v MAN-Bus SL202) jsou v současnosti vyraacuteběneacute pouze v maleacutem počtu Zaacutesobniacuteky pro autobusy se sklaacutedajiacute ze třiacute eliptickyacutech křiacutežiacuteciacutech se zaacutesobniacuteků každyacute o objemu 190 l odpoviacutedajiacuteciacute energetickeacutemu obsahu 450 kWh či 150 Nm3 plynneacuteho vodiacuteku při normaacutelniacutech podmiacutenkaacutech Dosažitelnaacute energetickaacute hustota je 45 kWhkg či 213 kWhl Zaacutesobniacuteky jsou konstruovaacuteny z 200 - 300 vrstev izolačniacutech foacuteliiacute dovolujiacuteciacutech odpařit okolo 1 zkapalněneacuteho plynu za den Nicmeacuteně toto množstviacute narůstaacute při spojeniacute několika zaacutesobniacuteků dohromady vlivem ztraacutet ve spojovaciacutem potrubiacute [12]

Obr 16 120 litrovaacute naacutedrž na tekutyacute vodiacutek firmy Linde [16]

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů

Systeacutemy skladovaacuteniacute v hydridech kovů se zaklaacutedajiacute na principu snadneacute absorpce plynu určityacutemi materiaacutely za podmiacutenek vysokeacuteho tlaku a miacuternyacutech teplot Tyto laacutetky pak uvolňujiacute vodiacutek jako plyn v přiacutepadě kdy jsou zahřiacutevaacuteny při niacutezkyacutech tlaciacutech a relativně vysokyacutech teplotaacutech V podstatě tyto materiaacutely kovy nasaacutevajiacute a uvolňujiacute vodiacutek jako bdquohoubaldquo Vyacutehoda skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů se soustřeďuje na skutečnost že vodiacutek se staacutevaacute součaacutestiacute chemickeacute struktury těchto kovů a proto daacutele neniacute požadovaacuten vysokyacute tlak nebo kryogenniacute teplota pro vlastniacute provoz [12] Vodiacutek se uvolňuje z hydridů pro použitiacute při niacutezkeacutem tlaku hydridy kovů jsou ve sveacute podstatě nejbezpečnějšiacute ze všech systeacutemů skladovaacuteniacute Existuje mnoho typů specifickyacutech hydridů kovů primaacuterně se však staviacute na kovovyacutech slitinaacutech hořčiacuteku niklu železa a titanu Hydridy kovů mohou byacutet rozděleny dle vysoko nebo niacutezkoteplotniacute desorpce vodiacuteku Vysokoteplotniacute hydridy jsou levnějšiacute a jsou schopneacute uchovaacutevat viacutece vodiacuteku než niacutezkoteplotniacute ale vyžadujiacute vyacuteznamně viacutece tepelneacute energie

42

pro uvolněniacute vodiacuteku Niacutezkoteplotniacute hydridy mohou na rozdiacutel od vysokoteplotniacutech hydridů ziacuteskat dostatek tepelneacute energie pro uvolněniacute vodiacuteku z vlastniacute jednotky ktereacute vyžadujiacute externiacute zdroj tepelneacute energie Niacutezkaacute teplota desorpce ve spojeniacute s niacutezkoteplotniacutemi hydridy může byacutet probleacutemem vzhledem k přiacuteliš snadneacutemu uvolňovaacuteniacute plynu za okolniacutech podmiacutenek K překonaacuteniacute těchto probleacutemů musiacute byacutet niacutezkoteplotniacute hydrid kovu pod tlakem čiacutemž vzrůstaacute komplikovanost procesu Typickeacute charakteristiky hydridů kovů jsou shromaacutežděny v tabulce 6

Charakteristika NiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacute VysokoteplotniacuteVysokoteplotniacuteVysokoteplotniacute

T i 2 N i -H25

F e T i -H25

VH-VH2 L a N i 5 -H67

M g C u -H3

M g 2 N i -H4

Mg-H

Množs tv iacute s l i t i ny absorbujiacuteciacute H2 []

161 187 192 155 267 371 825

Množstviacute hydridu s c h o p n eacute h o absorbovat energii jako z 1l benziacutenu [kg]

155 134 130 161 - 675 35

Množstviacute slitiny k akumulaci 25 kg vodiacuteku [kg]

217 188 182 225 - 95 50

Desorpčniacute teplota při tlaku 15 barg [degC]

-3 7 15 21 245 267 296

Doplňovaacuteniacute snadneacute - - těžkeacute - těžkeacute těžkeacute

Tab 6 Charakteristika použiacutevanyacutech hydridů kovu [12]

Hlavniacute nevyacutehodou skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů neniacute jen teplota a tlak nutnyacute pro extrakci vodiacuteku ale i jejich niacutezkaacute hustota energie Dokonce i ty nejlepšiacute hydridy obsahujiacute jen 8 hmotnostniacutech procent vodiacuteku Majiacute proto velkou hmotnost a naviacutec jsou draheacute Systeacutem s hydridem kovu může byacutet až třicetkraacutet těžšiacute a desetkraacutet objemnějšiacute než naacutedrž s benziacutenem stejneacuteho energetickeacuteho obsahu Dalšiacute nevyacutehodou systeacutemů na baacutezi hydridu kovu je nutnost použiacutevat jen velmi čistyacute vodiacutek jinak dojde ke kontaminaci hydridu s naacuteslednou ztraacutetou kapacity Kysliacutek a voda jsou prvotniacutemi činiteli jelikož se chemicky adsorbujiacute na povrch kovů a nahrazujiacute potenciaacutel vodiacutekovyacutech vazeb Sniacuteženiacute kapacity kontaminaciacute může byacutet do určiteacute miacutery reaktivovaacuteno teplem Dalšiacute probleacutemy spojeneacute s hydridy kovů souvisiacute s jejich strukturou Typickeacute provedeniacute se naleacutezaacute ve formě zrniteacute granulovaneacute nebo praacuteškoveacute struktury kteraacute tak poskytuje co největšiacute plochu pro kontakt s plynem Tyto čaacutestice jsou naacutechylneacute na abrazi jež u obojiacuteho vede k redukci jejich efektivity a může veacutest k ucpaacuteniacute profilu přepouštěciacutech ventilů nebo trubek Žaacutednyacute specifickyacute materiaacutel nemaacute vynikajiacuteciacute vlastnosti ve všech požadovanyacutech směrech (vysokaacute kapacita absorpce vysokaacute hustota energie malaacute potřeba tepla a niacutezkeacute naacuteklady) Z tohoto důvodu se použiacutevaacute směs různyacutech vysoko a niacutezkoteplotniacutech hydridů kdy se vyrovnaacutevajiacute vyacutehody a nevyacutehody různyacutech typů při různyacutech podmiacutenkaacutech provozu [12]

43

Obr 17 Vlastnosti vybranyacutech hydridů [8]

331 Hydridy alkalickyacutech zemin

Noveacute variace hydridů ktereacute nabiacutezejiacute vyacutehodnějšiacute vlastnosti oproti předchoziacutem metodaacutem se tyacutekajiacute peletizovanyacutech sodiacutekovyacutech drasliacutekovyacutech a lithnyacutech složek Tyto složky hydridů reagujiacute s vodou za vyacutevinu vodiacuteku bez nutnosti dodaacutevaacuteniacute tepelneacute energie Nejpokročilejšiacute komerčně vyviacutejenyacute systeacutem vyžaduje použitiacute hydroxidu sodneacuteho jenž je hojně k dispozici jakožto odpadniacute materiaacutel z průmysloveacute vyacuteroby papiacuteru plastu z ropneacuteho průmyslu a jinyacutech Hydroxid sodnyacute je převeden na hydrid sodnyacute(NaH) za přiacutevodu tepla naacutesledovně

2NaOH + tepenerrarr 2NaH +O2

NaH potom může byacutet peletizovaacuten tyto pelety se pokryacutevajiacute vodě-odolnyacutem plastem nebo povlakem Sodiacutek se tak staacutevaacute neaktivniacutem a lze ho potom jednoduše transportovat Pro uvolněniacute vodiacuteku je ochrannyacute povlak rozrušovaacuten a naacutesleduje reakce s vodou

NaH (s)+ H2O(l)rarr NaOH (l)+ H2 (g) Tato reakce probiacutehaacute poměrně rapidně a vodiacutek z teacuteto reakce maacute tlak kolem 8-10 bar Hydroxid sodnyacute lze ziacuteskat zpět a může byacutet opětovně použiacutevaacuten v procesu Vyacutehoda tohoto uchovaacutevaacuteniacute vodiacuteku oproti ostatniacutem hydridům je absence potřeby tepla pro uvolněniacute vodiacuteku Tento proces je relativně jednoduchyacute a z toho plyne i jednoduššiacute konstrukce takoveacuteho procesniacuteho zařiacutezeniacute Nevyacutehodou tohoto procesu jsou komplikace spojeneacute s mechanickyacutem rozrušovaacuteniacutem pelet kontrolovanyacutem způsobem a naacutesledneacute využitiacute odpadniacutech materiaacutelů kteryacute obklopuje odpadniacute hydroxid sodnyacute a použiteacute plastoveacute obaly pelet Proces využiacutevajiacuteciacute kombinaci generovaacuteniacute vodiacuteku a skladovaacuteniacute pro jednoraacutezoveacute použitiacute Stejně jako u elektrolyacutezy je vodiacutek

44

v hydridu sodneacutem nositel energie ne však jejiacute zdroj Hydroxid sodnyacute se nachaacuteziacute v niacutezkeacutem energetickeacutem stavu a musiacute byacutet přenesen do vyššiacuteho stavu pomociacute dodaacuteniacute tepelneacute energie

34 Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku

V současnosti se se zkoumajiacute dalšiacute skladovaciacute metody vodiacuteku jako je adsorpce na uhliacutekovyacutech poreacutezniacutech strukturaacutech skleněneacute mikrosfeacuterya oxidačniacute technologie železa Tyto metody jsou použiacutevaacuteny pouze laboratorněa jejich nasazeniacute do komerčniacute sfeacutery ještě nelze v bliacutezkeacute budoucnosti očekaacutevat

341 Uhliacutekovaacute adsorpce

Uhliacutekovaacute adsorpce je založena na slučitelnosti uhliacuteku a vodiacutekovyacutech atomů Vodiacutek je čerpaacuten do kontejnerů se substraacutetem malyacutech karbonovyacutech čaacutestic kde je vaacutezaacuten molekulaacuterniacutemi silami Tato metoda silně připomiacutenaacute metodu skladovaacuteniacute v hydridech kovů je ovšem zdokonalena v oblasti niacutezkyacutech teplot kde se uvažuje rozdiacutel mezi tekutyacutem vodiacutekem a chemickou vazbou Uhliacutek adsorbuje při teplotaacutech -185 až -85 degC a tlaciacutech 21 až 48 bar Velikost adsorpce uhliacutekem se zvyšuje s nižšiacutemi teplotami Teplo při překročeniacute teplotniacute hranice 150degC uvolňuje vodiacutek

342 Technologie uhliacutekovyacutech nanovlaacuteken

Laboratorniacute vyacutesledky ukazujiacute tuto metodu jako velmi nadějnou pro budouciacute použitiacute Vodiacutek uskladněnyacute ve sloučenině může dosaacutehnout až 70 celkoveacute vaacutehy sloučeniny Typickeacute hydridy kovů jsou schopny přijmout 2-4 vaacutehy sloučeninyv hmotnostně těžkeacute struktuře Pokud by tyto vyacutesledky byly reaacutelně prokaacutezaacuteny potom vozidla použiacutevajiacuteciacute vodiacutekoveacute palivoveacute člaacutenky budou schopny ujet až 5000 km bez potřeby doplněniacute paliva Tiacutem by se vyřešil probleacutem chybějiacuteciacute infrastruktury distribuce vodiacuteku Takoveacute palivo by se mohlo skladovat ve skladištiacutech nebo posiacutelat prostřednictviacutem přepravniacutech služeb

343 Skleněneacute mikrosfeacutery Systeacutemy skleněnyacutech mikrosfeacuter použiacutevajiacute maleacute skleněneacute sfeacutery (kuličky)s průměrem menšiacutem než 100 microm jež jsou schopny odolat tlakům až 1 000 MPa Vodiacutek je do nich nuceně vhaacuteněn velmi vysokyacutemi tlaky Jakmile je vodiacutek uskladněn kuličky je možno ponechat v podmiacutenkaacutech okolniacuteho prostřediacute bez ztraacutet vodiacuteku Přivedeniacute nevelkeacuteho množstviacute tepelneacute energie se uvolňuje vodiacutek zpět Pro zajištěniacute zvyacutešeniacute rychlosti uvolňovaacuteniacute vodiacuteku ze skleněnyacutech mikrosfeacuter se provaacutediacute experimenty i formou drceniacute kuliček [12]

344 Oxidace železa

Oxidace železa je proces při ktereacutem se vodiacutek vytvaacuteřiacute reakciacute poacuteroviteacuteho železa (surovaacute ingredience pro ocelaacuteřskeacute pece) s vodniacute paacuterou Reakce potom lze popsat naacutesledujiacuteciacutem rovnicemi

Fe+ H2Oharr FeO + H2

45

3FeO + H2Oharr Fe3O4 + H2

Vedlejšiacutem produktem tohoto procesu je rez Jakmile železo plně zkoroduje je potřeba ho vyměnit za noveacute Produkty reakce jsou přeměněny na původniacute formu Paacuteru a tepelnou energii potřebnou pro průběh reakce lze ziacuteskaacutevat pomociacute spalovaciacute jednotky nebo v přiacutepadě palivovyacutech člaacutenků z jejich chladiacuteciacuteho okruhu (meacutedia) Ačkoliv je ocel levnaacute jejiacute hmotnost činiacute tuto metodu nevyacutehodnou Efektivniacute hmotnost paliva vůči celkoveacute hmotnosti systeacutemu uskladněniacute je 45 Vlastniacute reakce probiacutehaacute při teplotě 80 - 200 degC

46

4Palivoveacute člaacutenky

Za objevitele principu palivoveacuteho člaacutenku je považovaacuten Sir William Grove přičemž datum objevu se datuje do roku 1839 Během konce 19 a počaacutetku 20 stoletiacute se vědci pokoušeli objevit noveacute typy palivovyacutech člaacutenků kombinujiacutece přitom různaacute paliva a elektrolyty Avšak většinou bezvyacutesledně Rozvoj v teacuteto oblasti nastal až kolem poloviny 20 stoletiacute v důsledku snah najiacutet alternativniacute zdroje pro vesmiacuterneacute lety Gemini a Apollo Ale i tyto pokusy byly zpočaacutetku neuacutespěšneacute Až roku 1959 předvedl Francis T Bacon prvniacute plně fungujiacuteciacute palivovyacute člaacutenek Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (PEM FC ndash Proton Exchange Membrane Fuel Cells) byly poprveacute použity společnostiacute NASA v roce 1960 jako součaacutest vesmiacuterneacuteho programu Gemini Tyto palivoveacute člaacutenky využiacutevaly jako reakčniacute plyny čistyacute kysliacutek a čistyacute vodiacutek Byly maleacute a draheacute (a tedy komerčně neefektivniacute) Zaacutejem NASA stejně jako energetickaacute krize v roce 1973 zvyacutešili zaacutejem o alternativniacute druhy ziacuteskaacutevaacuteniacute energie a tiacutem došlo k překotneacutemu vyacutevoji v oblasti palivovyacutech člaacutenků Předevšiacutem diacuteky tomuto tlaku našly tyto člaacutenky uacutespěšneacute uplatněniacute v různorodyacutech aplikaciacutech

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků Palivoveacute člaacutenky zpracovaacutevajiacute pouze čistyacute vodiacutek Teoreticky pracujiacute bez škodlivyacutech laacutetek Produktem reakce jsou kromě elektrickeacute energie takeacute vodaa teplo V přiacutepadě že palivoveacute člaacutenky využiacutevajiacute plynnou reformačniacute směs bohatou na vodiacutek vznikajiacute škodliveacute zplodiny avšak těchto zplodin je meacuteně než těch ktereacute vznikajiacute v přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem využiacutevajiacuteciacutech jako zdroj energie konvenčniacute fosilniacute paliva Motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem ktereacute spalujiacute směsi chudeacute na vodiacutek a vzduch jsou rovněž schopneacute dosaacutehnout niacutezkeacute hladiny škodlivin avšak u těchto strojů dochaacuteziacute současně ke spalovaacuteniacute mazaciacuteho oleje což maacute za naacutesledek naacuterůst škodlivyacutech emisiacute Palivoveacute člaacutenky pracujiacute s vyššiacute termodynamickou uacutečinnostiacute než tepelneacute motory Tepelneacute motory přeměňujiacute chemickou energii na teplo prostřednictviacutem spalovaacuteniacute a využiacutevajiacute toho že teplo konaacute praacuteci Se zvyacutešeniacutem teploty horkeacuteho plynu vstupujiacuteciacuteho do motoru a se sniacuteženiacutem teploty chladneacuteho plynu po expanzi se zvyacutešiacute i termodynamickaacute uacutečinnost Teoreticky lze tedy navyacutešit horniacute teplotu libovolnyacutem množstviacutem tepla dle požadovaneacute termodynamickeacute uacutečinnosti zatiacutemco dolniacute hranice teploty nemůže nikdy klesnout pod teplotu okoliacute Avšak ve skutečnyacutech tepelnyacutech motorech je horniacute teplota limitovaacutena použityacutemi materiaacutely Kromě toho motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem majiacute vstupniacute teplotu rovnu pracovniacute teplotě kteraacute je mnohem nižšiacute než teplota vzplanutiacute Palivoveacute člaacutenky nepoužiacutevajiacute proces spalovaacuteniacute jejich uacutečinnost neniacute spjata s jejich maximaacutelniacute provozniacute teplotou Vyacutesledkem je že uacutečinnost přeměny energie může byacutet vyacuterazně většiacute než skutečnaacute reakce spalovaacuteniacute Kromě vyššiacute relativniacute tepelneacute uacutečinnosti palivoveacute člaacutenky vykazujiacute takeacute vyššiacute uacutečinnost oproti tepelnyacutem motorům při jejich čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky nevykazujiacute ostreacute propady v uacutečinnosti jak je tomu v přiacutepadě velkyacutech elektraacuteren Tepelneacute motory dosahujiacute nejvyššiacute uacutečinnosti při praacuteci v navrhovaneacutem provozniacutem stavu a vykazujiacute rapidniacute poklesy uacutečinnosti při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky majiacute vyššiacute uacutečinnost při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute než při zatiacuteženiacute plneacutem Takeacute změny uacutečinnosti jsou v celeacutem provozniacutem rozsahu menšiacute Palivoveacute člaacutenky vykazujiacute dobreacute dynamickeacute charakteristiky Stejně jako baterie jsou takeacute palivoveacute člaacutenky pevnaacute statickaacute zařiacutezeniacute kteraacute reagujiacute na změny v elektrickeacute

47

zaacutetěži okamžitě změnami chemickyacutemi Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute na čistyacute vodiacutek majiacute vynikajiacuteciacute celkovou odezvu Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute s reformaacutetem (nejčastěji palivo na baacutezi uhlovodiacuteků) a využiacutevajiacute palubniacute reformer mohou miacutet tuto odezvu pomalou zvlaacuteště při použitiacute techniky parniacuteho reformingu (metoda zpracovaacuteniacute reformaacutetu nejčastěji za vzniku vodiacuteku a oxidů uhliacuteku) V přiacutepadě použitiacute palivovyacutech člaacutenků jako generaacutetorů elektrickeacute energie vyžadujiacute tyto člaacutenky meacuteně energetickyacutech přeměn než tepelneacute motory Jestliže budou použity jako zdroje mechanickeacute energie potom požadujiacute stejneacute množstviacute přeměn ačkoliv jednotliveacute transformace se odlišujiacute od těch jež probiacutehajiacute v přiacutepadě tepelnyacutech motorů Palivoveacute člaacutenky jsou vhodneacute pro mobilniacute aplikace pracujiacuteciacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech (typickeacute jsou teploty nižšiacute než 100 degC) Provoz při nižšiacutech teplotaacutech se vyznačuje většiacute bezpečnostiacute a kraacutetkyacutem zahřiacutevaciacutem časem Naviacutec termodynamickaacute uacutečinnost elektrochemickeacute reakce je podstatně vyššiacute než uacutečinnost přeměny energie chemickyacutech vazeb na energii elektrickou pomociacute tepelnyacutech motorů Nevyacutehodou se však jeviacute obtiacutežnyacute odvod odpadniacuteho tepla kteryacute musiacute byacutet zajištěn většiacutem chladiacuteciacutem systeacutemem a i přes vysokeacute provozniacute teploty pomalyacute proces elektrochemickeacute reakce Palivoveacute člaacutenky mohou byacutet použity v kogeneračniacutech aplikaciacutech Kromě elektrickeacute energie produkujiacute palivoveacute člaacutenky takeacute čistou horkou vodu a teplo Palivoveacute člaacutenky nevyžadujiacute dobiacutejeniacute avšak musiacute mu byacutet dodaacutevaacuteno palivo což je ovšem mnohem rychlejšiacute než dobiacutejeniacute bateriiacute Mohou takeacute poskytovat většiacute rozsah (delšiacute doba poskytovaacuteniacute elektrickeacute energie) v zaacutevislosti na velikost naacutedrže s palivem a oxidantem Palivoveacute člaacutenky majiacute niacutezkeacute opotřebeniacute a vysokou životnost (někteřiacute vyacuterobci udaacutevajiacute až desetitisiacutece hodin) Nejsou přiacutetomny pohybliveacute čaacutesti z čehož vyplyacutevaacute tichyacute chod palivovyacutech člaacutenků a schopnost snaacutešet i značnaacute přetiacuteženiacute Proti klasickyacutem elektrochem akumulaacutetorům použiacutevanyacutem v současnyacutech elektromobilech majiacute palivoveacute člaacutenky vyššiacute dojezdovou vzdaacutelenost Vyřazeneacute palivoveacute člaacutenky na rozdiacutel od akumulaacutetorů nezatěžujiacute životniacute prostřediacute těžkyacutemi kovy

42 Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků

Vodiacutek kteryacute je ekologicky prospěšnyacute se velmi obtiacutežně vyraacutebiacute a uskladňuje Současneacute vyacuterobniacute procesy jsou draheacute a energeticky naacuteročneacute naviacutec často vychaacutezejiacute z fosilniacutech paliv Efektivniacute infrastruktura dodaacutevky vodiacuteku nebyla ještě ani vytvořena Systeacutemy uskladňujiacuteciacute plynnyacute vodiacutek se vyznačujiacute obrovskyacutemi rozměry a obtiacutežnyacutem přizpůsobeniacutem energeticky niacutezkeacute objemoveacute hustotě vodiacuteku Systeacutemy uskladňujiacuteciacute tekutyacute vodiacutek jsou mnohem menšiacute a lehčiacute ovšem musiacute byacutet provozovaacuteny za kryogenniacutech teplot Možnost představuje takeacute uskladněniacute vodiacuteku pomociacute uhlovodiacuteků a alkoholů odkud může byacutet uvolňovaacuten dle požadavku diacuteky palubniacutemu reformeru Je pravdou že toto uskladněniacute manipulaci s vodiacutekem zjednodušiacute avšak některeacute ekologickeacute vyacutehody budou nenaacutevratně ztraceny (praacutevě diacuteky využitiacute uhlovodiacuteků či alkoholů a s tiacutem souvisejiacuteciacute emise COx) Palivoveacute člaacutenky požadujiacute čisteacute palivo bez specifickyacutech znečišťujiacuteciacutech laacutetek Tyto laacutetky jako jsou siacutera a uhliacutekoveacute sloučeniny či zbytkovaacute tekutaacute paliva (v zaacutevislosti na typu palivoveacuteho člaacutenku) mohou poškodit katalyzaacutetor palivoveacuteho člaacutenku čiacutemž přestaacutevaacute samotnyacute člaacutenek fungovat V přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem nezpomaluje ani jedna z těchto škodlivyacutech laacutetek samotnyacute proces spalovaacuteniacute

48

Palivoveacute člaacutenky se hodiacute pro automobiloveacute aplikace Ty jsou typickeacute svyacutem požadavkem platinoveacuteho katalyzaacutetoru pro podporu reakce při ktereacute se vyraacutebiacute elektrickaacute energie Platina je vzaacutecnyacute kov a je velmi drahaacute Za diacutelčiacute nevyacutehody lze poklaacutedat i skutečnost že vyacutekon odebiacuteranyacute z 1 cm2 elektrod je zatiacutem niacutezkyacute Palivoveacute člaacutenky produkujiacute v průběhu vyacuteroby elektrickeacute energie čistou vodu Většina palivovyacutech člaacutenků vhodnyacutech pro automobiloveacute aplikace takeacute využiacutevaacute jako reaktanty vlhkeacute plyny I nepatrnaacute zbytkovaacute voda v palivoveacutem člaacutenku může přitom způsobit nevratnou zničujiacuteciacute expanzi v přiacutepadě vystaveniacute mrazu Při provozu vyraacutebějiacute palivoveacute člaacutenky dostatečneacute teplo zabraňujiacuteciacute mrznutiacute při okolniacutech teplotaacutech pod bodem mrazu V přiacutepadě že jsou za mraziveacuteho počasiacute palivoveacute člaacutenky vypnuty musiacute byacutet trvale vyhřiacutevaacuteny či z nich musiacute byacutet kompletně odstraněna zbytkovaacute voda před tiacutem než člaacutenek zmrzne Z tohoto důvodu musiacute byacutet dopravniacute prostředek převezen do zahřiacutevaciacuteho zařiacutezeniacute nebo je nezbytně nutneacute instalovat v jeho bliacutezkosti horkovzdušneacute ohřiacutevaciacute zařiacutezeniacute Palivoveacute člaacutenky vyžadujiacute kontinuaacutelniacute odstraňovaniacute zplodin chemickyacutech reakciacute jejichž množstviacute zaacutevisiacute na velikosti odebiacuteraneacuteho proudu (odčerpaacutevaacuteniacute vody vodniacute paacutery či produktů oxidace) vyžadujiacute takeacute složiteacute řiacutediacuteciacute systeacutemy a uvedeniacute do provozu může trvat několik minut

43 Princip funkce palivovyacutech člaacutenků

Palivovyacute člaacutenek je ve sveacute podstatě zařiacutezeniacute ktereacute produkuje elektřinu po celou dobu kdy je mu dodaacutevaacuteno palivo V palivoveacutem člaacutenku dochaacuteziacute ke transformaci uloženeacute chemickeacute energie paliva do elektrickeacute energie Rozdiacutel mezi spalovaciacutem motorem a palivovyacutem člaacutenkem je daacuten rozdiacutelnyacutem způsobem přeměny energie Ve spalovaciacutem motoru dochaacuteziacute ke spaacuteleniacute paliva naacutesledneacutemu uvolněniacute tepla Teplo je daacutele přeměněno na mechanickou energii a teprve mechanickaacute energie je přeměněna na energii elektrickou Každaacute přeměna v tomto cyklu maacute za naacutesledek určitou ztraacutetu energie V kontrastu s tiacutemto cyklem palivoveacute člaacutenky fungujiacute velmi jednoduše a efektivně K produkci elektřiny dochaacuteziacute pomociacute chemickeacute reakce V jednoducheacutem palivoveacutem člaacutenku probiacutehajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 rarr 2H + + 2eminus

12O2 + 2H

+ + 2eminus rarr H2O

Protony prochaacuteziacute elektrolytem a na katodě se spojiacute s kysliacutekem nejčastěji vzdušnyacutem a utvořiacute tak vodu Elektrony jsou směrovaacuteny externiacutem okruhem kde vytvaacuteřejiacute stejnosměrneacute proud Tyto zařiacutezeniacute mohou dosaacutehnout uacutečinnost až 40 Palivoveacute člaacutenky jsou schopny pracovat nejen s čistyacutem vodiacutekem ale takeacute s reformovanyacutemi palivy jako je metan jelikož v nich neniacute oxid uhličityacute Vyacutekon systeacutemu palivovyacutech člaacutenků může byacutet popsaacuten zaacutevislostiacute proudu a napětiacute Je prezentovaacuten ve formě grafu nazvanyacutem proud-napěťovaacute křivka Vyacutestupniacute napětiacute je funkciacute proudu normalizovaneacute plochou člaacutenku udaacutevajiacuteciacute proudovou hustotu Ideaacutelniacute palivovyacute člaacutenek by dodal jakeacutekoliv množstviacute proudu při udrženiacute konstantniacuteho napětiacute určeneacuteho termodynamikou procesu V opravdoveacutem světě je skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute nižšiacute než termodynamicky určeneacute napětiacute ideaacutelniacute tento rozdiacutel je způsoben nevyhnutelnyacutemi ztraacutetami v systeacutemu Ztraacutety jsou kompenzovaacuteny dodaniacutem vyššiacuteho proudu palivovyacutem člaacutenkem

49

Čiacutem většiacute množstviacute proudu je potřeba ziacuteskat z palivovyacutech člaacutenků tiacutem většiacute jsou nevratneacute ztraacutety způsobujiacuteciacute pokles vyacutestupniacuteho napětiacute Existujiacute 3 hlavniacute typy ztraacutet v palivovyacutech člaacutenciacutech

1 Aktivačniacute ztraacutety - v důsledku elektrochemickeacute reakce2 Odporoveacute ztraacutety - v důsledku iontoveacuteho a elektronoveacuteho vedeniacute3 Koncentračniacute ztraacutety - v důsledku pohybu hmoty

Vyacutestupniacute napětiacute je tedy funkciacute termodynamicky předpoklaacutedaneacuteho napětiacute a jednotlivyacutech zraacutet a může byacutet vyjaacutedřeno naacutesledovně

V = Ethermo minusηakt minusηodp minusηkonc

kde V - skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute Ethermo - termodynamicky určeneacute napětiacute ηakt - aktivačniacute ztraacutety ηodp - odporoveacute ztraacutety ηkonc - koncentračniacute ztraacutety Vyacutekon palivoveacuteho člaacutenku je pak určen podle vztahu

P = i sdotVkde P - vyacutekon [W] i - proudovaacute hustota [Acm2] V - napětiacute [V] Dalšiacute charakteristikou palivoveacuteho člaacutenku je křivka vyacutekonoveacute hustoty kteraacute ukazuje vyacutekonovou hustotu dodanou palivovyacutem člaacutenkem jako funkci proudoveacute hustoty Schematicky je tato zaacutevislost znaacutezorněna na obraacutezku 18

Obr 18 Křivka vyacutekonoveacute hustoty [8]

Vyacutekonovaacute hustota palivoveacuteho člaacutenku roste s rostouciacute proudovou hustotou dosaacutehne maxima a poteacute dochaacuteziacute k poklesu při staacutele vysokeacute proudoveacute hustotě Palivoveacute člaacutenky jsou navrhovaacuteny pro praacuteci v nebo těsně pod maximem vyacutekonoveacute hustoty Při proudoveacute hustotě pod maximem vyacutekonoveacute hustoty se zlepšuje uacutečinnost

50

napětiacute ale klesaacute vyacutekonovaacute hustota Při proudoveacute hustotě vyššiacute než je maximum vyacutekonoveacute hustotě klesaacute uacutečinnost napětiacute a vyacutekonovaacute hustota Potenciaacutel systeacutemu vykonaacutevat elektrickou praacuteci je měřen pomociacute napětiacute normaacutelniacuteho stavu vratneacuteho napětiacute je

E0 = minus Δgrxn0

n sdotFkde Δg0rxn je změna Gibssovy volneacute energie n počet molů přenesenyacutech elektronů F Faradayova konstanta Při standardniacutech podmiacutenkaacutech je maximaacutelniacute napětiacute ziacuteskaneacute pro vodiacuteko-kysliacutekoveacute palivo rovnu 123 V Pro ziacuteskaacuteniacute použitelneacuteho napětiacute jsou tak palivoveacute člaacutenky spojovaacuteny do seacuteriiacute Vratneacute napětiacute palivoveacuteho člaacutenku vysoce na provozniacutech podmiacutenkaacutech jako je teplota tlak a chemickaacute aktivita Korelace napětiacute a teploty je reprezentovaacutena naacutesledujiacuteciacute rovniciacute

dEdT

= Δsn sdotF

kde Δs je změna entropie pro palivoveacute člaacutenky je entropie negativniacute vratneacute napětiacute maacute potom tendenci klesat s rostouciacute teplotou Napětiacute se měniacute se změnou tlaku podle vztahu

dEdp

= minus Δvn sdotF

kde Δv je změna objemu Změna vratneacuteho napětiacute s tlakem je spojena se změnou objemu reakce Pokud je změna objemu reakce zaacutepornaacute potom napětiacute roste s rostouciacutem tlakem Tlak a teplota majiacute minimaacutelniacute vliv na vratneacute napětiacute Chemickaacute aktivita maacute vyacuteznamnějšiacute vliv kteryacute se daacute určit pomociacute Nernstovi rovnice

E = E0 minus R sdotTn sdotF

lnaprodviprodareakviprod

Nernstova rovnice uvaacutediacute vztah mezi ideaacutelniacutem standardniacutem potenciaacutelem E0

pro reakci ve člaacutenku ideaacutelniacute rovnovaacutehou potenciaacutelu E při jinyacutech teplotaacutech a parciaacutelniacutem tlaku reaktantů a produktu Jakmile je znaacutem ideaacutelniacute standardniacute potenciaacutel lze určit i ideaacutelniacute napětiacute pro různeacute teploty a tlaky podle Nernstovi rovnice Z teacuteto rovnice pro vodiacutekovou reakci plyne že ideaacutelniacute potenciaacutel člaacutenku při daneacute teplotě může byacutet zvyacutešen pomociacute provozu za vyššiacuteho tlaku reaktantů Nernstova rovnice plně nevysvětluje vliv teploty

44 Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků

Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je funkce napětiacute člaacutenku Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je

ε termo =ΔGΔH

kde ΔG je Gibbsova volnaacute energie ΔH je entalpie Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku určena z tohoto vztahu se rovnaacute 83 Skutečneacute napětiacute při provozu palivoveacuteho člaacutenku je menšiacute než reversibilniacute potenciaacutel to maacute za naacutesledek že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vždy nižšiacute než teoretickaacute Tento jev je způsoben ztraacutetami při využitiacute paliva a ztraacutetami napětiacute Skutečnou uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku můžeme určit ze vztahu

51

ε skut = ε termo sdotεnapeti sdotε palivo

kde εtermo je reversibilniacute termodynamickaacute uacutečinnost člaacutenku εnapeti je uacutečinnost napětiacute a εpalivo ztraacutety při utilizaci paliva Uacutečinnost napětiacute zahrnuje ztraacutety způsobeny nevratnyacutem kinetickyacutem efektem v palivoveacutem člaacutenku Je to poměr mezi provozniacutem napětiacute palivoveacuteho člaacutenku V a termodynamickeacuteho reversibilniacuteho napětiacute člaacutenku E

εnapeti =VE

Uacutečinnost utilizace paliva vyjadřuje fakt že ne všechno palivo dodaneacute do člaacutenku se bude podiacutelet na elektrochemickeacute reakci Uacutečinnost je poměr paliva použiteacuteho na produkci daneacuteho množstviacute elektrickeacute energie ku celkoveacutemu množstviacute paliva dodaneacuteho do palivoveacuteho člaacutenku kde i je proud generovaacuten palivovyacutem člaacutenkem a vpalivo je rychlost dodaacutevaacuteniacute paliva do člaacutenku [molsec]

ε palivo =i n sdotFvpalivo

Kombinaciacute vztahů pro jednotliveacute uacutečinnosti dostaneme naacutesledujiacuteciacute vztah pro skutečnou uacutečinnost člaacutenku

ε skut =Δg

ΔhHHVsdotVEsdot i n sdotFvpalivo

Na obraacutezku 19 je porovnaacuteniacute uacutečinnostiacute jednotlivyacutech metod vyacuteroby elektrickeacute energie Z obraacutezku je jasně patrneacute že celkovaacute uacutečinnost palivovyacutech člaacutenku převyšuje ostatniacute způsoby vyacuteroby elektrickeacute energie

Obr 19 Uacutečinnost vyacuteroby elektrickeacute energie [8]

52

45Typy palivovyacutech člaacutenků

Jednotliveacute typy palivovyacutech člaacutenků se lišiacute předevšiacutem typem použiteacuteho elektrolytu Typ elektrolytu určuje provozniacute teplotu jež se pro různeacute typy palivovyacutech člaacutenků vyacuterazně lišiacute

451 Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech vyššiacutech než 600 degC (1100degF) Tyto vysokeacute teploty umožňujiacute samovolnyacute vnitřniacute reforming lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv jako je metan ndash na vodiacutek a uhliacutek za přiacutetomnosti vody Reakce probiacutehajiacuteciacute na anodě za podpory nikloveacuteho katalyzaacutetoru poskytuje dostatek tepla požadovaneacuteho pro proces parniacuteho reformingu Vnitřniacute reforming odstraňuje potřebu samostatneacuteho zařiacutezeniacute na zpracovaacuteniacute paliva a umožňuje palivoveacutemu člaacutenku zpracovaacutevat i jinaacute paliva než čistyacute vodiacutek Tyto vyacuteznamneacute vyacutehody vedou k naacuterůstu celkoveacute uacutečinnosti teacuteměř o 15 Během naacutesledujiacuteciacute elektrochemickeacute reakce je uvolňovaacutena chemickaacute energie kterou palivovyacute člaacutenek zpracovaacutevaacute Tato chemickaacute energie pochaacuteziacute z reakce mezi vodiacutekem a kysliacutekem při ktereacute vznikaacute voda Z reakce mezi oxidem uhelnatyacutem a kysliacutekem jejiacutemž produktem je oxid uhličityacute Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky produkujiacute takeacute vysokopotenciaacutelniacute odpadniacute teplo jež může byacutet použito pro uacutečely kogenerace Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky reagujiacute velmi snadno a bez potřeby drahyacutech katalyzaacutetorů z ušlechtilyacutech kovů Množstviacute energie uvolněneacute elektrochemickou reakciacute klesaacute s rostouciacute provozniacute teplotou člaacutenku Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky jsou naacutechylneacute na materiaacuteloveacute poruchy Maleacute množstviacute materiaacutelu je schopno po dlouho dobu při vysokyacutech teplotaacutech pracovat bez degradace Vysokoteplotniacute provoz neniacute vhodnyacute pro rozsaacutehleacute vyacuteroby nebo pro aplikace kde je požadovaacuten rychlyacute start zařiacutezeniacute Současneacute aplikace teacuteto metody se zaměřujiacute na stacionaacuterniacute elektraacuterenskeacute zdroje Nejvyacuteznamnějšiacutemi vysokoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů tzv MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů využiacutevajiacute elektrolytu kteryacute je schopen přenaacutešet uhličitanoveacute ionty CO3 2- od katody k anodě Elektrolyt se sklaacutedaacute z roztaveneacute směsi uhličitanu lithia a uhličitanu draselneacuteho Směs je udržovaacutena pomociacute kapilaacuterniacutech sil v keramickeacute podpůrneacute mřiacutežce z hlinitanu litneacuteho Při provozniacute teplotě se struktura elektrolytu změniacute na stav podobnyacute pastě kteraacute umožňuje uacuteniky plynů na okrajiacutech člaacutenku Tyto palivoveacute člaacutenky pracujiacute s teplotami okolo 650 degC a tlaky v rozmeziacute relativniacutech hodnot 1 až 10 barů Každyacute člaacutenek je schopen produkovat stejnosměrneacute napětiacute mezi 07 a 1 V Princip fungovaacuteniacute tohoto člaacutenku je na obraacutezku 20

53

Obr 20 Scheacutema člaacutenku MCFC [8]

Palivoveacute člaacutenky na baacutezi tekutyacutech uhličitanů jsou schopneacute provozu při zaacutesobovaacuteniacute jak čistyacutem vodiacutekem tak lehkyacutemi uhlovodiacutekovyacutemi palivy Palivo napřiacuteklad metan je dopraveno na anodu za přiacutetomnosti vody přijme teplo a podstoupiacute reakci parniacuteho reformingu

CH 4 + H2Orarr 3H2 +CO Pokud bude jako palivo použit jinyacute lehkyacute uhlovodiacutek potom se může počet molekul vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho změnit ale produkty reakce jsou v podstatě vždy stejneacute Reakce na anodě molekuly vodiacuteku s uhličitanovyacutem iontem probiacutehaacute bez ohledu na druh použiteacuteho paliva a vypadaacute naacutesledovně

H2 +CO32minus rarr H2O +CO2 + 2e

minus

Reakce probiacutehajiacuteciacute na katodě a to kysliacuteku s oxidem uhličityacutem probiacutehaacute opět bez ohledu na druhu paliva

O2 + 2CO2 + 4eminus rarr 2CO3

2minus

Iont CO3 2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě Dochaacuteziacute k reakci iontu CO3 2- jak s vodiacutekem tak oxidem uhelnatyacutem Elektrony prochaacutezejiacute přes elektrickou zaacutetěž nachaacutezejiacuteciacute se ve vnějšiacute čaacutesti elektrickeacuteho obvodu od anody ke katodě Celkovaacute reakce na člaacutenku je tedy

2H2 +O2 rarr 2H2O Vyacuteslednaacute reakce oxidu uhelnateacuteho ke ktereacute dochaacuteziacute pouze v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Produktem palivoveacuteho člaacutenku bez ohledu na palivo je voda V přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva je kromě vody produktem takeacute oxid uhličityacute Pro zajištěniacute plynulosti zajištěniacute kvality elektrochemickeacute reakce musiacute byacutet oba produkty plynule odvaacuteděny z katody člaacutenku

54

Mezi hlavniacute vyacutehody palivovyacutech člaacutenků s tekutyacutemi uhličitany patřiacute podpora samovolneacuteho vnitřniacuteho reformingu lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv vyacuteroba vysoko-potenciaacutelniacuteho tepla Samotnaacute reakce nepotřebuje katalyzaacutetory z ušlechtilyacutech kovů maacute velmi dobrou kinetiku a uacutečinnost Palivoveacute člaacutenky ovšem takeacute traacutepiacute mnoho nevyacutehod a provozniacutech omezeniacute Je potřeba vyvinou materiaacutely odolneacute vůči korozi při vysokyacutech teplotaacutech s malyacutem součinitelem objemoveacute roztažnosti ktereacute jsou vysoce mechanicky a tepelně odolneacute a jejichž vyacuteroba je technicky možnaacute Koroze je největšiacute probleacutem těchto člaacutenků Koroze způsobuje oxidaci niklu katody a jeho rozpuštěniacute v elektrolytu to může způsobit zhoršeniacute stavu separaacutetoru vysušeniacute či zaplaveniacute elektrod Korozniacute vlivy způsobujiacute pokles vyacutekonu a zkraacuteceniacute životnosti člaacutenku Rozměrovaacute nestaacutelost způsobenaacute objemovou roztažnostiacute může způsobit zničeniacute elektrod ktereacute změniacute povrch aktivniacute oblasti to může miacutet za naacutesledek ztraacutetu kontaktu a vysokyacute odpor mezi jednotlivyacutemi čaacutestmi člaacutenku Tekutyacute elektrolyt přinaacutešiacute probleacutemy s manipulaciacute člaacutenku Největšiacute nevyacutehodou je dlouhaacute doba potřebnaacute k rozběhu tento fakt tyto člaacutenky odsoudil do pozice použiacutevaacuteniacute pouze ve stacionaacuterniacutech aplikaciacutech

4511 Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů SOFC

Palivoveacute člaacutenky použiacutevajiacute elektrolyt schopnyacute veacutest kysliacutekoveacute ionty O-2 od katody k anodě je to opačnyacute směr než u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků jež vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je tvořen z pevnyacutech oxidů ktereacute majiacute podobu keramiky obvykle zirkonia (stabilizovaneacuteho dalšiacutemi oxidy kovů vzaacutecnyacutech zemin jako je ytrium) Člaacutenky jsou sestavovaacuteny postupnyacutem uklaacutedaacuteniacutem různyacutech vrstev materiaacutelu Běžnaacute uspořaacutedaacuteniacute použiacutevajiacute trubicoveacute či plocheacute tvary jednotlivyacutech člaacutenků Tvary ovlivňujiacute povrch člaacutenku a takeacute těsněniacute člaacutenku a to nejen v důsledku průsaku mezi kanaacutelky paliva a oxidantu ale takeacute vlivem elektrickeacuteho zapojeniacute jednotlivyacutech člaacutenků do bloku Pro materiaacutel elektrod mohou byacutet použity kovy typu niklu a kobaltu Palivoveacute člaacutenky SOFC pracujiacute s teplotami okolo 1000degC a relativniacutemi tlaky kolem 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 08 až 10 V

Obr 21 Scheacutema SOFC [18]

55

Palivoveacute člaacutenky mohou stejně jako MCFC člaacutenky pracovat jak s čistyacutem vodiacutekem tak uhlovodiacutekovyacutemi palivy Vstupniacute palivo se potom sklaacutedaacute jak z vodiacuteku tak z oxidu uhelnateacuteho Reakce na anodě jsou naacutesledujiacuteciacute

H2 +Ominus2 rarr H2O + 2eminus

CO +O2minus rarrCO2 + 2eminus

Reakce na katodě 1 2O2 + 2e

minus rarrO2minus

Iont O2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě vlivem chemickeacute přitažlivosti vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho Uvolněneacute elektrony prochaacutezejiacute vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě V tomto přiacutepadě se ionty pohybujiacute od katody k anodě což je opačnyacute pohyb než probiacutehaacute u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků Produkty reakciacute se tedy hromadiacute spiacuteše na anodě než na katodě Po spojeniacute reakciacute na anodě a katodě můžeme psaacutet vyacutesledneacute reakce člaacutenku

H2 +1 2O2 rarr H2OCO +1 2O2 rarrCO2

Palivoveacute člaacutenky SOFC tedy produkujiacute vodu bez ohledu na použiteacute palivo oxid uhličityacute v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet oba druhy reagentů plynule odvaacuteděny z katody Mezi hlavniacute vyacutehody těchto člaacutenků patřiacute opět umožněniacute samovolneacuteho reformingu uhlovodiacutekovyacutech paliv jelikož ionty kysliacuteku prochaacutezejiacute přes elektrolyt leacutepe než ionty vodiacuteku mohou byacutet tyto člaacutenky použity k oxidaci plynneacuteho paliva Dokaacutežiacute pracovat stejně dobře jak se suchyacutemi tak i vlhkyacutemi palivy Majiacute stejně jako MCFC velkou kinetiku reakce a vysokou uacutečinnost V porovnanaacute s MCFC člaacutenky mohou pracovat s vyššiacute proudovou hustotou a pevnyacute elektrolyt umožňuje snadnějšiacute manipulaci a možnost vyacuteroby rozličnyacutech tvarů a uspořaacutedaacuteniacute Nepotřebujiacute katalyzaacutetor z ušlechtilyacutech kovů Hlavniacute nevyacutehody jsou opět spojeny s vyacutevojem vhodnyacutech materiaacutelů Je zde nutnost vyacutevoje vhodnyacutech materiaacutelů ktereacute majiacute požadovanou vodivost jak elektrickou tak tepelnou a ktereacute zachovaacutevajiacute pevneacute skupenstviacute i při vysokyacutech teplotaacutech jsou chemicky slučitelneacute (kompatibilniacute) s ostatniacutemi čaacutestmi člaacutenku jsou rozměrově staacuteleacute majiacute vysokou mechanickou odolnost a jejichž vyacuteroba je dostatečně technicky zvlaacutednuta Mnoho materiaacutelů je možno použiacutet pro vysokeacute teploty aniž by změnily svoje skupenstviacute na jineacute než pevneacute Vybraneacute materiaacutely musiacute byacutet dostatečně husteacute aby zabraacutenily promiacutechaacutevaacuteniacute paliva s oxidačniacutemi plyny a musiacute miacutet dostatečnou podobnost charakteristik tepelnyacutech roztažnostiacute aby nedošlo k jejich štěpeniacute na vrstvy a k jejich praskaacuteniacute během tepelneacuteho cyklu SOFC palivoveacute člaacutenky jsou citliveacute na přiacutetomnost siacutery v palivu kteraacute nesmiacute překročit hodnotu 500 ppm Celkově je ovšem zatiacutem technologie SOFC nedostatečně vyspělaacute

56

452Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute obvykle s teplotami nižšiacutemi než 250 degC Tyto niacutezkeacute teploty neumožňujiacute vnitřniacute reforming paliva v důsledku čehož vyžadujiacute niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky vnějšiacute zdroj vodiacuteku Na druhou stranu vykazujiacute rychlyacute rozběh zařiacutezeniacute a trpiacute menšiacute poruchovostiacute konstrukčniacutech materiaacutelů Jsou takeacute mnohem vhodnějšiacute pro aplikace v dopravě Nejvyacuteznamnějšiacutemi niacutezkoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC alkalickeacute palivoveacute člaacutenky AFC palivoveacute člaacutenky s protonovou membraacutenou PEM FC a palivoveacute člaacutenky s přiacutemyacutem zpracovaacuteniacutem methanolu DMFC

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute s elektrolytem jenž je schopnyacute veacutest hydroxidoveacute ionty od katody k anodě I tento typ se lišiacute od většiny niacutezkoteplotniacutech člaacutenků ktereacute vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je složen z roztaveneacute alkalickeacute směsi hydroxidu draselneacuteho Elektrolyt může byacutet jak pohyblivyacute tak i pevnyacute Palivoveacute člaacutenky s nepohyblivyacutemi elektrolytem použiacutevajiacute tuhyacute elektrolyt jež je udržovaacuten pohromadě pomociacute kapilaacuterniacutech sil uvnitř poreacutezniacute podpůrneacute krystalickeacute mřiacutežky kteraacute je tvořena azbestem Hmota samotnaacute zajišťuje těsněniacute proti uacuteniku plynů na okraji člaacutenku Produkovanaacute voda se odpařuje do proudu zdrojoveacuteho vodiacutekoveacuteho plynu na straně anody kde současně dochaacuteziacute k jejiacute kondenzaci Odpadniacute teplo je odvaacuteděno přes obiacutehajiacuteciacute chladivo Alkalickeacute člaacutenky pracujiacute v rozmeziacute teplot 65 až 220degC a při relativniacutem tlaku okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vytvaacuteřet stejnosměrneacute napětiacute mezi 11 až 12 V Zjednodušeneacute scheacutema je na obraacutezku 22

Obr 22 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [18]

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky musiacute pracovat pouze s čistyacutem vodiacutekem bez přiacuteměsi oxidů uhliacuteku Na anodě se odehraacutevajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 + 2K+ + 2OH minus rarr 2K + 2H2O

2Krarr 2K + + 2eminusReakce na katodě jsou tyto

57

1 2O2 + H2Orarr 2OH

2OH + 2eminus rarr 2OH minus

Hydroxidoveacute ionty OH- prochaacutezejiacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem chemickeacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny obiacutehat vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě Sloučeniacutem anodovyacutech a katodovyacutech reakciacute můžeme napsat celkoveacute reakce pro alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

H2 + 2OHminus rarr 2H2 + 2e

minus

1 2O2 + H2O + 2eminus rarr 2OH minus

Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek produkuje vodu jež se odpařuje do proudu vstupujiacuteciacuteho vodiacuteku (v přiacutepadě systeacutemů s nepohyblivyacutem elektrolytem) či je odvaacuteděna z palivoveacuteho člaacutenku s elektrolytem (u systeacutemů s pohyblivyacutem elektrolytem) Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet tato voda z člaacutenku odvaacuteděna plynule Mezi vyacutehody AFC člaacutenků patřiacute niacutezkaacute provozniacute teplota rychleacute startovaciacute časy (při teplotě rovneacute teplotě okoliacute jsou schopny dodat 50 jmenoviteacuteho vyacutekonu) Člaacutenek je vysoce uacutečinnyacute a spotřebovaacutevaacute minimaacutelniacute množstviacute platinoveacuteho katalyzaacutetoru AFC se vyznačuje malou hmotnostiacute a objemem minimaacutelniacute koroziacute a relativně jednoduchyacutem provozem Mezi nevyacutehody patřiacute potřeba čisteacuteho vodiacuteku jako paliva relativně kraacutetkaacute životnost a potřeba složiteacuteho systeacutemu vodniacuteho hospodaacuteřstviacute Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem tvořenyacutem kapalnou kyselinou fosforečnou je schopen veacutest vodiacutekoveacute ionty (protony) H+ od anody směrem ke katodě Kyselina fosforečnaacute se nachaacuteziacute uvnitř krystalickeacute mřiacutežky tvořeneacute karbidem křemiacuteku (některeacute palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyselin použiacutevajiacute jako elektrolyt kyselinu siacuterovou) PAFC člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech od 150 do 205degC a s relativniacutem tlakem okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 11 V U PAFC člaacutenků reaguje vodiacutek s kysliacutekem Reakci na anodě můžeme popsat naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

Reakce na katodě maacute potom tento tvar1 2O2 + 2e

minus + 2H + rarr H2O Proton vodiacuteku prochaacuteziacute elektrolytem od anody směrem ke katodě na zaacutekladě přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny prochaacutezet vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem v opačneacutem směru Sloučeniacutem anodoveacute a katodoveacute reakce ziacuteskaacuteme obecnou reakci pro člaacutenek kterou můžeme popsat2H2 +O2 rarr 2H2O PAFC člaacutenky produkujiacute voda kteraacute se hromadiacute na katodě Abychom zajistili dostatečnou kvalitu reakce musiacute byacutet produktovaacute voda postupně ze člaacutenku odvaacuteděnaPAFC člaacutenky jsou schopny sneacutest vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho v palivu (až 30) a proto PAFC nepožadujiacute čištěniacute vzduchu jako okysličovadla a reformaacutetoru jako paliva Pracujiacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech i tak jsou tyto teploty o něco vyššiacute než u ostatniacutech niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenciacutech proto produkujiacute odpadniacute teplo o vyššiacutem potenciaacutelu ktereacute může byacutet využito v kogeneračniacutech aplikaciacutech

58

PAFC člaacutenky jsou naacutechylneacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu kteryacute nesmiacute přesaacutehnout 2 Daacutele jsou citliveacute na obsah siacutery v palivu maximaacutelniacute obsah siacutery by neměl překročit 50 ppm Tiacutem že se použiacutevaacute korozivniacute tekutyacute elektrolyt vznikajiacute probleacutemy s koroziacute konstrukčniacutech materiaacutelů PAFC jsou velkeacute a těžkeacute a nejsou schopny samostatneacuteho reformingu uhliacutekovyacutech paliv Je potřeba jednotku před provozem zahřaacutet a musiacute byacutet trvale udržovaacuteny na provozniacute teplotě Noveacute formy palivovyacutech člaacutenků s elektrolytem na baacutezi kyselin využiacutevajiacute pevnyacutech kyselinovyacutech elektrolytů Tyto člaacutenky jsou vyrobeny ze sloučenin typu CsHSO4 pracujiacute s teplotami až do 250 degC a s napětiacutem napraacutezdno (otevřeneacuteho obvodu) 111 V DC Daacutele nabiacutezejiacute vyacutehodu provozu bez vlhkosti při zmiacuterněniacute citlivosti na oxid uhelnatyacute a možnosti samostatneacuteho reformingu metanolu Trpiacute však degradaciacute vlivem obsahu siacutery velikou houževnatostiacute (tvaacuternostiacute) při teplotaacutech nad 125 degC a rozpustnostiacute ve vodě Vyacuterobniacute techniky pro praktickeacute využitiacute nebyly ještě vyvinuty

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami PEM FC

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (nebo teacutež člaacutenky s pevnyacutem polymerem) použiacutevajiacute elektrolyt jenž je schopnyacute veacutest protony H+ od anody ke katodě Elektrolyt je vytvořen z pevneacuteho polymerniacuteho filmu kteryacute se sklaacutedaacute z okyseleneacuteho teflonu Fyzicky je každyacute palivovyacute člaacutenek vytvořen z membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA - Membrane Electrode Assembly) jež se sklaacutedaacute z anody katody elektrolytu a katalyzaacutetorů Všechny čaacutesti jsou umiacutestěny mezi dvěma deskami vyrobenyacutemi z grafitu a označovanyacutemi jako bipolaacuterniacute desky (Flow Field Plates desky s kanaacutelky pro rozvod plynů paliva a okysličovadla) Tyto desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo k jednotlivyacutem stranaacutem membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA) Chladivo se použiacutevaacute k regulaci reakčniacute teploty palivoveacuteho člaacutenku Pro snadnějšiacute regulaci jsou mezi každyacute palivovyacute člaacutenek umiacutestěny chladiacuteciacute desky Tyto chladiacuteciacute desky rozvaacutedějiacute chladivo uvnitř palivoveacuteho člaacutenku za uacutečelem absorpce či dodaacutevky požadovaneacuteho tepla Těsněniacute mezi grafitovyacutemi deskami zajišťuje aby se proud okysličovadla paliva a chladiva uvnitř palivoveacuteho člaacutenku nepromiacutechal Elektrickeacute desky (koncoveacute elektrody člaacutenku) jsou umiacutestěny na uacuteplnyacutech konciacutech do seacuterie řazenyacutech bipolaacuterniacutech desek (Flow Field Plates) Tyto desky se spojujiacute se svorkami ze kteryacutech je ziacuteskaacutevaacutena elektrickaacute energie palivoveacuteho člaacutenku (stacku) V přiacutepadě velkyacutech palivovyacutech člaacutenků musiacute byacutet jednotliveacute desky stlačeny a sešroubovaacuteny dohromady pomociacute tyčiacute či spojeny jinyacutem mechanickyacutem způsobem Elektrody zprostředkovaacutevajiacute přechod mezi deskami s rozvodnyacutemi kanaacutelky a elektrolytem Musiacute umožnit průnik vlhkyacutem plynům poskytnout reakčniacute povrch v miacutestě styku s elektrolytem musiacute byacutet vodiveacute pro volneacute elektrony jež proteacutekajiacute od anody ke katodě a musiacute byacutet zkonstruovaacuteny ze vzaacutejemně slučitelnyacutech materiaacutelů Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute papiacuter s uhliacutekovyacutemi vlaacutekny poněvadž je poreacutezniacute hydrofobniacute (nesmaacutečivyacute) vodivyacute a nekorodujiacuteciacute Materiaacutel elektrod je velmi tenkyacute v důsledku maximalizace (vystupňovaacuteniacute) množstviacute dopravovaneacuteho plynu a vody Katalyzaacutetor se přidaacutevaacute na povrch každeacute elektrody na stranu elektrolytu za uacutečelem naacuterůstu rychlosti průběhu chemickeacute reakce Katalyzaacutetor podporuje chemickou reakci aniž by byl během teacuteto reakce spotřebovaacutevaacuten Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute platina neboť vykazuje vysokou elektro-katalytickou činnost chemickou stabilitu a elektrickou vodivost Platina je velmi drahaacute takže jejiacute množstviacute

59

(znaacutemeacute jako katalyzaacutetoroveacute naacuteklady) ovlivňuje cenu palivoveacuteho člaacutenku Konstrukteacuteři palivovyacutech člaacutenků usilujiacute o minimalizaci množstviacute použiteacute platiny za současneacuteho zachovaacuteniacute vyacutekonu palivoveacuteho člaacutenku Elektrolyt tvořiacute tenkaacute membraacutena z plastoveacuteho filmu jejiacutež tloušťka je obvykle od 50 do 175 microm (mikronů) Tyto membraacuteny se sklaacutedajiacute z fluorem dotovanyacutech siřičitanovyacutech kyselin ktereacute stejně jako teflonoveacute fluoro-uhliacutekoveacute polymery majiacute řetězec končiacuteciacute zbytkem kyseliny siřičiteacute (-SO3-2) Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami použiacutevajiacute totiž kyselyacute elektrolyt stejně jako palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute Všechny kyseleacute pevneacute elektrolyty vyžadujiacute přiacutetomnost molekul vody pro vodivost vodiacutekovyacutech iontů (protonů) poněvadž vodiacutekoveacute ionty se pohybujiacute společně s molekulami vody v průběhu vyacuteměnneacute iontoveacute reakce Podiacutel vody k vodiacutekovyacutem iontům u efektivniacute vodivosti je obvykle okolo 31 Z tohoto důvodu musiacute byacutet plyny v kontaktu s membraacutenou nasyceneacute vodou pro lepšiacute funkci palivoveacuteho člaacutenku Na molekulaacuterniacute uacuterovni maacute polymer trubicovitou strukturu ve ktereacute jsou skupiny siřičitanovyacutech kyselin na vnitřniacutem povrchu trubic Tyto skupiny poskytujiacute hydrofilniacute (majiacute přiacutechylnost k vodě lehce smaacutečitelneacute) potrubiacute pro vedeniacute vody Vnějšiacute čaacutesti trubic jsou z hydrofobniacuteho fluorovaneacuteho materiaacutelu Trubkoviteacute struktury se scvrkaacutevajiacute a přeskupujiacute s poklesy obsahu vody Při stlačovaacuteniacute (zužovaacuteniacute) těchto trubek během dehydratace rapidně klesaacute vodivost což vede k naacuterůstu odporu kontaktu mezi membraacutenou a elektrodou To může veacutest až k prasklinaacutem a diacuteraacutem v membraacuteně Všechny elektrolyty musiacute vykazovat zaacutekladniacute vlastnosti jimiž jsou vodič protonů elektronovyacute izolant (nejsou schopny veacutest elektrony) a separaacutetor plynů Vyacuterobci se takeacute snažiacute produkovat membraacuteny ktereacute majiacute odpoviacutedajiacuteciacute mechanickou pevnost rozměrovou staacutelost (odolnost vůči vybouleniacute) vysokou iontovou vodivost niacutezkou atomovou hmotnost (vaacuteha polymeru vztaženaacute k množstviacute kyselyacutech zbytků) a jsou snadno zhotovitelneacute Do jisteacute miacutery je možneacute mechanickou a rozměrovou staacutelost polymeru zajistit jeho včleněniacutem do membraacutenoveacuteho uskupeniacute jež poskytne podpůrnou strukturu

Obr 23 PEM člaacutenek firmy Horizon zdroj [19]

Bipolaacuterniacute desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo na obou vnějšiacutech stranaacutech membraacutenoveacuteho uskupeniacute Každaacute z těchto desek obsahuje kanaacutelky serpentinoviteacuteho tvaru ktereacute maximalizujiacute kontakt plynu s membraacutenovyacutem uspořaacutedaacuteniacutem Specifickyacute tvar kanaacutelků pro plyn je kritickyacute pro homogenniacute vyacuterobu elektrickeacute energie staacutelyacute vyacutekon člaacutenku a spraacutevnou funkci vodniacuteho hospodaacuteřstviacute člaacutenku Tvary bipolaacuterniacutech desek jsou vyraacuteběny v zaacutevislosti na použitiacute palivovyacutech člaacutenků Každaacute deska musiacute byacutet elektricky

60

vodivaacute Proud vznikajiacuteciacute během elektrochemickeacute reakce může teacuteci z jednoho člaacutenku do druheacuteho až k postranniacutem deskaacutem ze kteryacutech je elektrickaacute energie odebiacuteraacutena do vnějšiacuteho elektrickeacuteho obvodu Desky se obvykle vyraacutebějiacute z grafitu (uhliacuteku) přičemž kanaacutelky jsou vyrobeny technologiiacute obraacuteběniacute nebo lisovaacuteniacute Grafit se upřednostňuje jako materiaacutel pro svou vynikajiacuteciacute vodivost a relativně niacutezkeacute naacuteklady Je potřeba miacutet na paměti zvlhčovaacuteniacute reakčniacutech plynů v palivovyacutech člaacutenciacutech Bez zvlhčeniacute se nedosaacutehne požadovanaacute iontovaacute vodivost a může dojiacutet ke zničeniacute palivoveacuteho člaacutenku Množstviacute vody kteryacute je schopen plyn pojmout je zaacutevisleacute na teplotě při zvlhčovaacuteniacute Ciacutelem zvlhčovaacuteniacute je nasytit reakčniacute plyny co největšiacutem množstviacutem vodniacutech par Plyny jsou zvlhčovaacuteny při provozniacute teplotě palivoveacuteho člaacutenku Při zvlhčovaacuteniacute za vyššiacutech teplot může čaacutest vodniacutech par v palivoveacutem člaacutenku kondenzovat Vnitřniacute (interniacute) zvlhčovače se sklaacutedajiacute z přiacutedavnyacutech seacuteriiacutech grafitovyacutech desek začleněnyacutech do palivoveacuteho člaacutenku Tiacutemto dochaacuteziacute k rozděleniacute bloku palivoveacuteho člaacutenku na aktivniacute čaacutest kteraacute obsahuje palivoveacute člaacutenky a neaktivniacute čaacutest jež obsahuje desky zvlhčovače Desky zvlhčovače jsou obdobneacute bipolaacuterniacutem deskaacutem a využiacutevajiacute se k rozvodu plynu a vody po hydrofilniacute membraacuteně Voda se přemiacutesťuje přes membraacutenu a sytiacute omyacutevajiacuteciacute plyn Membraacuteny tohoto typu jsou již komerčně dostupneacute Vnitřniacute zvlhčovače odebiacuterajiacute vodu přiacutemo z chladiacuteciacuteho okruhu (z proudu chladiacuteciacuteho meacutedia) a vyuacutesťujiacute v jednoduchyacute integrovanyacute systeacutem s dobře propojenyacutemi teplotniacutemi charakteristikami Takoveacute uspořaacutedaacuteniacute předem vylučuje využitiacute jineacuteho chladiacuteciacuteho meacutedia než čisteacute vody Čistaacute voda naviacutec zhoršuje probleacutemy při startu palivoveacuteho člaacutenku neboť při niacutezkyacutech teplotaacutech může dojiacutet k jejiacutemu zamrznutiacute Kromě toho vede zakomponovaacuteniacute zvlhčovače do palivoveacuteho člaacutenku k naacuterůstu rozměrů palivoveacuteho člaacutenku a komplikuje jeho opravy neboť obě čaacutesti musiacute byacutet opravovaacuteny současně Vnějšiacute zvlhčovače se nejčastěji navrhujiacute jako membraacutenoveacute či kontaktniacute Membraacutenoveacute jsou založeny na obdobneacutem principu jako vnitřniacute zvlhčovače avšak jsou umiacutestěny odděleně Kontaktniacute zvlhčovače využiacutevajiacute principu rozprašovaacuteniacute zvlhčovaciacute vody na horkyacute povrch či do komory s velkou povrchovou plochou kterou proteacutekaacute jeden z reagujiacuteciacutech plynů Voda se potom odpařuje přiacutemo do plynu a způsobuje jeho nasyceniacuteVnějšiacute zvlhčovače mohou odebiacuterat vodu z chladiacuteciacuteho okruhu nebo mohou byacutet vybaveny samostatnyacutem vodniacutem okruhem Vyacutehody a nevyacutehody pro přiacutepad odběru vody z okruhu chladiacuteciacuteho meacutedia jsou stejneacute jako u vnitřniacutech zvlhčovačů V přiacutepadě zvlhčovače se samostatnyacutem vodniacutem okruhem může byacutet jako chladivo použito meacutedium s vyššiacutemi niacutezkoteplotniacutemi charakteristikami než maacute voda čiacutemž se však stane vzaacutejemnaacute vazba mezi teplotou zvlhčovače a palivoveacuteho člaacutenku daleko komplikovanějšiacute Bez ohledu na zdroj vody vede využiacutevaacuteniacute vnějšiacuteho zvlhčovače k nutnosti použitiacute samostatnyacutech součaacutestiacute ktereacute jsou pravděpodobně rozměrnějšiacute a takeacute mohutnějšiacute zvlaacuteště v přiacutepadě kontaktniacuteho zvlhčovače PEM člaacutenky pracujiacute s teplotami 70 až 90 degC a relativniacutem tlakem 1 až 2 bary Každyacute člaacutenek je schopnyacute generovat napětiacute okolo 11 V

61

Obr 24 Scheacutema PEM člaacutenku [18] V palivovyacutech člaacutenciacutech typu PEM spolu reagujiacute vodiacutek a kysliacutek Reakce na anodě a anodě probiacutehajiacute naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

1 2O2 + 2eminus + 2H + rarr H2O

Proton H+ prochaacuteziacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem vzaacutejemneacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou využity k oběhu od anody ke katodě přes vnějšiacute elektrickyacute obvod Sloučeniacutem reakciacute na anodě a katodě ziacuteskameacute celkovou reakci pro PEM člaacutenek

H2 +1 2O2 rarr H2O PEM člaacutenky dobře snaacutešiacute vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho jak v palivu tak okysličovadlu proto mohou PEM člaacutenky pracovat se znečištěnyacutem vzduchem jako okysličovadlem a reformaacutetorem jako palivem Tyto člaacutenky pracujiacute s niacutezkyacutemi teplotami což zjednodušuje požadavky na použiteacute materiaacutely umožňuje rychlyacute start a zvyšuje bezpečnost Je použit pevnyacute suchyacute elektrolyt to eliminuje naacuteroky na manipulaci s tekutinami snižuje pohyb elektrolytu a probleacutemy spojeneacute s jeho doplňovaacuteniacutem Elektrolyt neniacute korozivniacute tiacutem samozřejmě klesajiacute probleacutemy s koroziacute materiaacutelů PEM člaacutenky majiacute vysokeacute člaacutenkoveacute napětiacute vysokou proudovou a energetickou hustotu Pracovniacute tlaky jsou relativně niacutezkeacute a člaacutenek je schopen reagovat na proměnnost tlaku bez většiacutech probleacutemů Tvarově jsou PEM člaacutenky jednoducheacute kompaktniacute a mechanicky odolneacute PEM člaacutenky jsou citliveacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu (maximum je 50 ppm) jsou schopneacute sneacutest pouze několik ppm sloučeniny siacutery PEM člaacutenky požadujiacute zvlhčovaacuteniacute reakčniacuteho plynu zvlhčovaacuteniacute je energeticky naacuteročneacute a způsobuje naacuterůst rozměru celeacuteho systeacutemu Použitiacute vody pro zvlhčovaacuteniacute paliva limituje provozniacute teplotu palivoveacuteho člaacutenku na hodnotu nižšiacute než je teplota bodu varu vody čiacutemž se redukuje potenciaacutel využitelnyacute v kogeneračniacutech aplikaciacutech PEM člaacutenky použiacutevajiacute draheacute platinoveacute katalyzaacutetory a draheacute membraacuteny se kteryacutemi se obtiacutežně pracuje

62

46 Systeacutem palivovyacutech člaacutenků

Blok palivoveacuteho člaacutenků je jednotka pro přeměnu energie v systeacutemu palivoveacuteho člaacutenku Zdroj se sklaacutedaacute z množstviacute subsysteacutemů pro řiacutezeniacute a regulaci provozu palivoveacuteho člaacutenku Pomocneacute systeacutemy jsou požadovaacuteny pro systeacutem chlazeniacute člaacutenku dopravu a zvlhčovaacuteniacute reaktantů přenos elektrickeacuteho vyacutekonu člaacutenku monitorovaacuteniacute a řiacutezeniacute provozu popřiacutepadě uskladněniacute paliva a okysličovadla Systeacutemy palivovyacutech člaacutenků majiacute vyššiacute tepelneacute uacutečinnosti zvlaacuteště ty s malyacutemi rozměry či středniacutem zatiacuteženiacutem Praacutevě uacutečinnostniacute charakteristika poskytuje hlavniacute impuls pro současnyacute vyacutevoj palivovyacutech člaacutenků Zdroje s palivovyacutemi člaacutenky jsou schopneacute provozu s reformovanyacutemi fosilniacutemi palivy jakyacutem je metanol či zemniacute plyn Zdokonalenaacute tepelnaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku snižuje objem potřebneacuteho paliva a tiacutem zajišťuje i sniacuteženiacute znečišťovaacuteniacute životniacuteho prostřediacute Konfigurace provozniacute charakteristiky a celkovaacute systeacutemovaacute uacutečinnost zdrojů s palivovyacutemi člaacutenky se určuje předevšiacutem vyacuteběrem vhodneacuteho paliva a okysličovadla Nejefektivnějšiacute konfigurace zdrojů je založena na čistyacutech reaktantech - vodiacuteku a kysliacuteku Avšak pro většinu aplikaciacute je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku a kysliacuteku nepraktickeacute a proto se hledajiacute různeacute alternativy Napřiacuteklad vzduch se obvykle u systeacutemů s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM využiacutevaacute jako okysličovadlo pokud je to možneacute Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je sniacutežena v porovnaacuteniacute s provozem s čistyacutem kysliacutekem a znevyacutehodněniacute je ještě umocněno potřebou stlačovaacuteniacute vzduchu Tato znevyacutehodněniacute jsou takeacute většiacute než kompenzace provedenaacute přemiacutestěniacutem uskladněniacute okysličovadla ven ze zdroje Pro určiteacute aplikace je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku nepraktickeacute v důsledku jeho niacutezkeacute uskladňovaciacute hustoty a nedostatečneacute infrastruktury Tekutaacute paliva jako je metanol nafta a petrolej mohou byacutet reformovaacuteny na plyny bohateacute na vodiacutek ktereacute jsou využity pro provoz palivoveacuteho člaacutenku Zemniacute plyn pokud je dostupnyacute může byacutet takeacute využit v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků Reforming však snižuje celkovou uacutečinnost systeacutemu a zapřiacutečiňuje i naacuterůst rozměrů zdroje

461 Systeacutem vodiacutek vzduch

Suchozemskeacute systeacutemy s palivovyacutemi člaacutenky použiacutevajiacute obvykle jako okysličovadlo stlačenyacute vzduch Jako palivo může byacutet použita jakyacutekoliv z vyacuteše zmiňovanyacutech laacutetek avšak čistyacute vodiacutek je nejjednoduššiacute a nejuacutečinnějšiacute pro tyto podmiacutenky Vodiacutek jako palivo maacute relativně niacutezkou objemovou a hmotnostniacute hustotou uskladněniacute energie ve srovnaacuteniacute s tekutyacutemi palivy jež jsou v současnosti využiacutevaacuteny Kromě toho neniacute zde vybudovaacutena dostatečnaacute infrastruktura pro vstup vodiacuteku na světovyacute trh s energiemi A upřiacutemně v současneacute době relativniacuteho dostatku tekutyacutech paliv potřeba tuto infrastrukturu neniacute přiacuteliš velikaacute Zjednodušeneacute scheacutema zdroje na baacutezi palivovyacutech člaacutenků typu PEM použiacutevajiacuteciacute vodiacutek a vzduch je na obraacutezku 25 Vodiacutek je dopravovaacuten ze zaacutesobniacuteků Vodiacutek je zvlhčen a dodaacutevaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Plynovyacute kompresor tlakuje vodiacutek kteryacute z člaacutenku odchaacuteziacute (poměrnyacute obsah vodiacuteku je přibližně 15) jako přebytek paliva a vraciacute ho zpět do vstupniacute čaacutesti okruhu dodaacutevky paliva Čistota vodiacuteku je jedniacutem z nejdůležitějšiacutech požadavků z toho důvodu musiacute byacutet systeacutem velmi dobře uzavřen V systeacutemu anody je instalovaacuten odvzdušňovaciacute ventil kteryacute sloužiacute k periodickeacutemu odvodu nečistot ktereacute se nachaacutezejiacute ve vodiacutekoveacutem zaacutesobniacuteku Okolniacute vzduch je filtrovaacuten stlačen zvlhčen a dodaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Kondenzaacutetor odvaacutediacute produktovou vodu z vyacutestupu vzduchu rekuperačniacute tepelnyacute

63

vyacuteměniacutek ohřiacutevaacute proud vstupniacuteho vzduchu Popsanyacute systeacutem pracuje obvykle s tlakem okolo 2 barů Uzavřenaacute smyčka chladiacuteciacuteho okruhu je zaměstnaacutevaacutena udržovaacuteniacutem provozniacute teploty člaacutenků okolo 80 degC Kondenzaacutetor produktoveacute vody a zvlhčovač reaktantů se začleňuje do chladiacuteciacuteho systeacutemu V systeacutemu chladiacuteciacute vody je daacutele instalovaacuten deionizačniacute filtr z důvodu udrženiacute hladiny čistoty vody Člaacutenek je dokonale izolovaacuten aby se předešlo průsakům vody ven z člaacutenku a kontaminaci membraacuteny prostřednictviacutem nechtěnyacutech iontů Na elektrickeacutem vyacutestupu palivoveacuteho člaacutenku je neregulovaneacute stejnosměrneacute napětiacute Testovaacuteniacute zaacutetěže by se mělo provaacutedět pravidelně aby byly zajištěny dobreacute elektrickeacute podmiacutenky pro předpoklaacutedanou zaacutetěž

Obr 25 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a vzduchem [8]

462Systeacutem vodiacutek kysliacutek

V aplikaciacutech kde neniacute dostupnyacute vzduch jako je vesmiacuter nebo podmořskeacute prostřediacute může byacutet použit čistyacute vodiacutek kysliacutek jako okysličovadlo Kysliacutek je uskladněn jako stlačenyacute plyn či kryogenniacute tekutina Kysliacutek zabiacuteraacute určityacute objem a hmotnost celkoveacuteho energetickeacuteho systeacutemu Palivoveacute člaacutenky potom vykazujiacute většiacute vyacutekon většiacute napětiacute člaacutenku a celkovou uacutečinnost Odstraněniacute zařiacutezeniacute ke stlačovaacuteniacute vzduchu dochaacuteziacute v systeacutemu k poklesu hlučnosti a parazitickyacutech ztraacutet Obraacutezek 26 znaacutezorňuje typickyacute zdroj s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s čistyacutem vodiacutekem a kysliacutekem Je to v podstatě stejnyacute systeacutem jako v přiacutepadě systeacutemu se vzduchem Toky obou reaktantů jsou cirkulovaacuteny skrz palivovyacute člaacutenek pomociacute kompresorů se opětovně natlakujiacute na provozniacute tlak V přiacutepadě dostupnosti vhodnyacutech dopravniacutech tlaků z uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků reaktantů mohou byacutet kompresory nahrazeny čerpadly čiacutemž dojde k eliminaci parazitniacutech ztraacutet spojenyacutech s cirkulaciacute plynu Systeacutemy těchto palivovyacutech člaacutenků jsou obvykle konstruovaacuteny pro provoz

64

v uzavřeneacutem prostřediacute a mohou byacutet provozovaacuteny jako samostatneacute uzavřeneacute systeacutemy V ideaacutelniacutem přiacutepadě je jedinyacutem hmotnyacutem produktem voda Nečistoty ve vstupniacutem vodiacuteku a kysliacuteku postupně zvyšujiacute svou koncentraci v systeacutemu proto je nezbytneacute pravidelneacute čištěniacute Inertniacute čaacutesti paliva jsou vstřebaacutevaacuteny a odvaacuteděny prostřednictviacutem produktoveacute vody palivoveacuteho člaacutenku Potřeba přiacutedavneacuteho čištěniacute je určena požadavkem čistoty u zařiacutezeniacute na uskladněniacute reaktantů životnostiacute zdroje a provozniacutemi podmiacutenkami systeacutemu

Obr 26 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a kysliacutekem [8]

65

5 Instalace ve světě

V současnosti se spojeniacute větrneacute energie a vyacuteroby vodiacuteku použiacutevaacute velmi maacutelo Tento systeacutem maacute ovšem podle mnoha zdrojů obrovskyacute růstovyacute potenciaacutel Nabiacuteziacute jednu z alternativ pro teacuteměř 16 miliardy lidiacute na světě kteřiacute nemajiacute přiacutestup k elektrickeacute energii Trhy pro ktereacute je tato technologie zajiacutemaveacute již dnes jsou izolovaneacute oblasti vyspělyacutech staacutetů Tyto trhy použiacutevajiacute jako hlavniacute zdroj elektrickeacute energie diesel agregaacutety jsou tudiacutež vysoce zaacutevisleacute na dodaacutevkaacutech ropy Vodniacute elektrolyacuteza je použitelnaacute ve spojeniacute s fotovoltaickou a větrnou energiiacute Existuje dobraacute shoda mezi polarizačniacutemi křivkami obnovitelnyacutech zdrojů a elektrolyzeacuterů a mohou byacutet spojeny bez elektronickeacuteho sledovaacuteniacute vyacutekonovyacutech charakteristik při relativně vysokeacute uacutečinnosti Projekty využiacutevajiacuteciacute spojeniacute větrneacute energie již existujiacute Jeden z pilotniacutech projektů je umiacutestěn na ostrově Unst v severniacute čaacutesti Velkeacute Britaacutenie Ciacutelem tohoto projektu je demonstrovat jak větrnaacute energie spojenaacute s využiacutevaacuteniacutem vodiacuteku je schopna pokryacutet energetickeacute potřeby pěti obchodniacutech jednotek v odlehleacute oblasti Větrnaacute energie na Shetlandech nabiacuteziacute velmi dobreacute možnosti pro jejiacute využitiacute nevyacutehodou větrnyacutech podmiacutenek na tomto ostrově je jejich nepředviacutedatelnaacute povaha Pro zajištěniacute stabilniacuteho a spolehliveacuteho dodaacutevaacuteniacute energie je potřeba zajistit dobreacute řiacutezeniacute toku teacuteto energie a skladovaacuteniacute Elektrickaacute siacuteť je na ostrově ve velmi špatneacutem stavu a neumožňuje připojeniacute dalšiacuteho pevneacute připojeniacute z obnovitelnyacutech zdrojů Každyacute novyacute systeacutem musiacute byacutet připojen nezaacutevisle na siacuteti nebo miacutet zajištěn dostatečnou kapacitu pro uskladněniacute energie z těchto zdrojů Na ostrově jsou umiacutestěny 2 větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 15 kW V čase niacutezkeacuteho odběru obchodniacutech jednotek nebo naopak při vysokeacute produkci je přebytek energie použit v elektrolyzeacuteru kteryacute potřebuje přibližně 2-7 kW denniacute produkce vodiacuteku dosahuje přibližně 2 kg vodiacuteku Vodiacutek je uložen ve vysokotlakyacutech naacutedobaacutech a daacutele použiacutevaacuten jako alternativa fosilniacutech paliv Systeacutem je vybaven zaacuteložniacutem zdrojem obsahuje 5 kW palivoveacute člaacutenky a měnič kteryacute převaacutediacute stejnosměrnyacute proud z elektrolyzeacuteru na proud střiacutedavyacute

Obr 27 Scheacutema systeacutemu instalovaneacuteho v Unstu

66

Prvniacutem miacutestem kde došlo v roce 2004 k instalaci vyacuteznamnějšiacuteho autonomniacuteho systeacutemu využiacutevajiacuteciacuteho větrneacute elektraacuterny pro produkci vodiacuteku a jeho naacutesledneacutemu použitiacute pro vyacuterobu elektrickeacute energie je norskyacute ostrov Utsira V pilotniacutem projektu bylo vybraacuteno 10 domaacutecnostiacute do kteryacutech se dodaacutevaacute elektrickaacute energie vyacutehradně z větrneacute energie Ve větrneacutem počasiacute větrneacute elektraacuterny dodaacutevajiacute elektřinu přiacutemo Když produkce elektřiny přesaacutehne aktuaacutelniacute požadavky domaacutecnostiacute je přebytečnaacute elektřina použita pro produkci vodiacuteku v elektrolyzeacuterech Vodiacutek je daacutele stlačen a uložen do tlakovyacutech naacutedob V přiacutepadě že je viacutetr přiacuteliš slabyacute nebo naopak silnyacute a větrneacute elektraacuterna neniacute schopna dodaacutevat elektrickou energii palivoveacute člaacutenky začnou spotřebovaacutevat uskladněnyacute vodiacutek a dodaacutevat elektrickou energii do domaacutecnostiacute Tento systeacutem je schopen dodaacutevat elektrickou energii domaacutecnostem až po dobu 3 dnů v přiacutepadě nedostupnosti větrneacute energie Utsira je velmi větrnyacutem ostrovem kteryacute se jevil jako ideaacutelniacute miacutesto pro pilotniacute projekt tohoto typu Na ostrově byly instalovaacuteny dvě turbiacuteny Enercon E40 každaacute s kapacitou 600 kW Jedna z turbiacuten produkuje elektřinu přiacutemo do siacutetě zatiacutemco druhaacute je připojena do samostatneacuteho systeacutemu a vyacutekon je sniacutežen na 150 kW aby leacutepe odpoviacutedala poptaacutevce Pro stabilizaci nestabilniacute obnovitelneacute energie se použiacutevaacute setrvačniacutek s kapacitou 5 kWh a 100 kVA hlavniacute synchronniacute motor ktereacute vyrovnaacutevajiacute a ovlaacutedajiacute napětiacute a frekvenci Přebytečnaacute energie je uklaacutedaacutena pomociacute elektrolyzeacuteru firmy Hydrogen Technologies s maximaacutelniacutem zatiacuteženiacutem 48 kW 5 kW kompresoru Hofer a tlakovyacutech naacutedob o objemu 2400 Nm3 při tlaku 200 bar Při nedostatku energie z větru se tato potřebnaacute energie dodaacutevaacute pomociacute 5 IRD palivovyacutech člaacutenků o celkoveacutem vyacutekonu 55 kW

Obr 28 Scheacutema projektu v Utsiře

Projekt byl v provozu nepřetržitě po dobu 4 let viacutece než 50 času byly pro dodaacutevaacuteniacute energie použiacutevaacuteny palivoveacute člaacutenky Kvalita dodaacutevky elektrickeacute energie byla dobraacute nebyly hlaacutešeny žaacutedneacute stiacutežnosti I přes uacutespěšnou demonstraci kvality projektu byly odhaleny vyacutezvy ktereacute je potřeba překonat pro zajištěniacute uacutespěchu teacuteto technologie 20 Utilizace větrneacute energie odhalila potřebu pro vyacutevoj uacutečinnějšiacutech elektrolyzeacuterů stejně tak jako zlepšeniacute uacutečinnosti konverze vodiacuteku na elektřinu Palivoveacute člaacutenky v průběhu provozu trpěly určityacutemi probleacutemy jako byl uacutenik chladiciacute kapaliny ze člaacutenku Palivoveacute člaacutenky trpěly takeacute rapidniacute degradaciacute vydržely sotva 100 hodin provozu Tyto probleacutemy spojeneacute s niacutezkou uacutečinnostiacute konverze vodiacuteku zvyacutešili

67

pravděpodobnost že vodiacutek během klidneacuteho větru může dojiacutet Cena a spolehlivost palivovyacutech člaacutenků se musiacute vylepšit aby byl projekt tohoto typu komerčně uacutespěšnyacute Bylo takeacute doporučeno aby budouciacute projekty zahrnovaly viacutece obnovitelnyacutech zdrojů energie Uacutespěch projektu na ostrově Utsira demonstruje uskutečnitelnost kombinace obnovitelneacuteho zdroje energie a vodiacuteku v odlehlyacutech lokalitaacutech a noveacute možnosti použitiacute elektrolyzeacuterů v budouciacutech energetickyacutech systeacutemech Ekonomicky bude tento projekt daacutevat smysl pouze při dalšiacutem vyacutevoji součaacutestiacute systeacutemu je předpoklad že by tato podmiacutenka mohla byacutet splněna za 5 až 10 let

Obr 29 Projekt kombinujiacuteciacute větrnou energii a vodiacutek na ostrově Utsira [20]

68

6Přiacutepadovaacute studie

61Vyacuteběr lokace

Souhrnnaacute dlouhodobaacute data o větru v jedneacute lokaci je velmi složiteacute ziacuteskat Lokace pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny se vybiacuteraacute podle podrobneacute lokaacutelniacute větrneacute mapy jejiacutemž autorem je v Českeacute republice ČHMUacute Naacutesleduje faacuteze měřeniacute rychlosti větru přiacutemo v miacutestě potenciaacutelniacuteho umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Pravidelneacute měřeniacute směru a siacutely větru provaacutediacute ČHMUacute na svyacutech meteorologickyacutech staniciacutech Profesionaacutelniacutech stanic existuje 38 6 stanic spravuje armaacuteda a dalšiacutech 179 je stanic je dobrovolnickyacutech Vzhledem k uacuteplnosti dat jsem se v praacuteci rozhodl použiacutet data z meteorologickeacute stanice na letišti v Mošnově Stanice je primaacuterně určena pro informovaacuteniacute leteckeacuteho personaacutelu o počasiacute v bliacutezkosti letiště Diacuteky vstřiacutecnosti miacutestniacutech meteorologů jsem ziacuteskal data o rychlosti větru v roce 2006 Stanice je umiacutestěna přiacutemo na letištniacute ploše ve vyacutešce 3 m Samotneacute letiště Mošnov ležiacute v severovyacutechodniacute čaacutesti Českeacute republiky 20 km od města Ostravy Data

jsou umiacutestěna v souboru programu Excel jako přiacuteloha 1 Měřeniacute je provaacuteděno nepřetržitě a je vypočiacutetaacutevaacuten 15 sekundovyacute průměr kteryacute sloužiacute jako informace pro piloty Statisticky se zaznamenaacutevajiacute 3 měřeniacute denně Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny jsou potřebneacute dvě důležiteacute informace a to průměrnaacute rychlost větru vstr a standardniacute odchylka σw Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov vstr= 3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1

62 Větrnaacute turbiacutena

Pro tuto praacuteci bylo vybraacuteno jako vhodneacute řešeniacute použitiacute dvou stejnyacutech relativně menšiacutech větrnyacutech turbiacuten firmy Enercon Jmenovityacute vyacutekon turbiacuteny je 330 kW Pro uchyceniacute trojlisteacuteho rotoru o průměru 33 m je použit 50 m ocelovyacute stožaacuter Elektraacuterna je bezpřevodovkovaacute s proměnlivyacutemi otaacutečkami rotoru ktereacute se mohou pohybovat v rozmeziacute 15-45 otmin Hlavniacute ložiska jsou jednořadaacute kuželiacutekovaacute Enercon dodaacutevaacute vlastniacute generaacutetor Jednaacute se o prstencovyacute generaacutetor kteryacute je přiacutemo pohaněnyacutesynchronniacute s variabilniacute frekvenciacute Elektraacuterna je daacutele vybavena brzdou rotoru aretaciacute rotoru a třemi soběstačnyacutemi systeacutemy nastavovaacuteniacute listů s nouzovyacutem zdrojem Startovaciacute rychlost je 25 ms-1 jmenovitaacute rychlost 12 ms-1 a odpojovaciacute rychlost je 12 ms-1 Tabulka 7 uvaacutediacute hodnoty jmenoviteacuteho vyacutekonu elektraacuterny při danyacutech rychlostech větru

Rychlost větru [ms]

Vyacutekon [kW]

Kapacitniacute faktor [-]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 5 137 30 55 92 138 196 250 293 320 335 335 335 335

0 035 040 045 047 050 05 05 047 041 035 028 023 018 015

Tab 7 Vyacutekonoveacute charakteristiky turbiacuteny E33 [21]

69

Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny se potom určiacute pomociacute vyacutepočtu v programu Mathcad tento vyacutepočet je součaacutestiacute přiacutelohy 2 Pro určeniacute vyacutekonoveacute křivky použijeme tabulku 7 zobrazujiacuteciacute rychlost větru a jemu odpoviacutedajiacuteciacute vyacutekon Data proložiacuteme křivkou spline kteraacute je aproximaciacute tabulkovyacutech hodnot Použijeme funkci cspline kteraacute je v programu Mathcad definovaacutena Vyacuteslednaacute křivka je potom zobrazena na obraacutezku 30 Křivka je určena pro teplotu t=15degC a nadmořskou vyacutešku h=0 m

Obr 30 Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny E33

63 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov

Celyacute vyacutepočet je umiacutestěn v přiacuteloze 2 Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr= 3596 ms-1 standardniacute odchylky σw=254 ms-1 a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 1459

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 3969

Spektrum rozloženiacute hustoty rychlostiacute větru v daneacute lokalitě se popisuje pomociacute Weibullovy pravděpodobnostniacute funkce grafickeacute zobrazeniacute je na obraacutezku 31

70

f x( ) = kcsdot xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdotexp minus xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

Obr 31 Weibullova funkce pro letiště Mošnov

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě mošnovskeacuteho letiště je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 3 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 015 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 682m sdot sminus1

Rozdiacutel v průměrnyacutech rychlostech je převaacutežně způsoben působeniacutem mezniacute vrstvy u povrchu Země Hustota vzduchu v miacutestě instalace značně ovlivňuje vyacuteslednyacute vyacutekon větrneacute elektraacuterny proto je potřeba ji v celkoveacutem vyacutepočtu zohlednit Hustota vzduchu ρ [kgm3] je zaacutevislaacute předevšiacutem na teplotě t [degC] a nadmořskeacute vyacutešce Z [m] dle vztahu

ρ = 33505t + 2731

sdotexp minus981sdotZ287 sdot(t + 2731)

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

71

Dalšiacute veličinou kterou je před samotnyacutem vyacutepočtem určit je kapacitniacute faktor CFA [-] Kapacitniacute faktor je jinyacutem naacutezvem součinitel využitiacute a určuje zastoupeniacute času při ktereacutem jsou schopny větrneacute elektraacuterny byacuteti v provozu Tento součinitel zaacuteviacutesiacute na typu větrneacute elektraacuterny daacutele pak na maximaacutelniacute rychlosti větru Uf [ms] minimaacutelniacute rychlosti větru Uc [ms] naacutevrhoveacute rychlosti větru Ur [ms] a Weibullovyacutech faktorech c a k dle naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 029

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Mošnově použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 257 m průměrnaacute teplota t= 65 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=682 ms Pnom se potom rovnaacute 8447 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obraacutezku 32

Obr 32 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro mošnovskou lokalitu Pav= 24 445 W Ročniacute průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 24445 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na letišti v Mošnově je potom Pwf=44691 kW Tato hodnota je na vyacutekon 330kW elektraacuterny velmi niacutezkaacute instalace tedy postraacutedaacute ekonomickyacute smysl a je potřeba určit jineacute umiacutestěniacute instalace Dalšiacutem faktorem znemožňujiacuteciacutem instalaci větrnyacutech elektraacuteren je složitost stavebniacuteho řiacutezeniacute Vzhledem k ochraně letištniacuteho provozu by stavba musela splňovat velmi složitaacute kriteacuteria a byacutet umiacutestěna v dostatečneacute vzdaacutelenosti od letištniacute draacutehy kde už nemusejiacute rychlosti větru odpoviacutedat rychlostem měřenyacutem meteorologickou staniciacute přiacutemo

72

na letišti

64 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce

Obec Noveacute Dvorce na hranici Olomouckeacuteho a Moravskoslezskeacuteho kraje byla vybraacutena jako alternativniacute lokalita splňujiacuteciacute zaacutekladniacute požadavek o průměrneacute ročniacute rychlosti větru V lokalitě Červeneacuteho kopce kteryacute je v bliacutezkosti obce Noveacute Dvorce je umiacutestěno již v současneacute době 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele větrneacuteho parku a to firmy Větrnaacute energie HL sro je v lokalitě Červeneacuteho kopce průměrnaacute rychlost větru vstr= 74 ms-1 standardniacute odchylka σw=35 ms-1 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny v teacuteto lokalitě probiacutehaacute analogicky jako v předešleacute kapitole Prvniacute je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr standardniacute odchylky σw a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu Mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 2225

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 8355

Graf Weibullovy funkce je pro lokalitu Noveacute Dvorce je zobrazen na obraacutezku 32

Obr 32 Weibullova funkce pro lokalitu Noveacute Dvorce

73

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě Novyacutech Dvorců je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 10 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 025 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 10372m sdot sminus1

Kapacitniacute faktor je potom určen podle analogickeacuteho vztahu jako v předešleacute kapitole pro Noveacute Dvorce je kapacitniacute faktor teacuteměř dvojnaacutesobnyacute což znamenaacute zvyacutešeniacute celkoveacuteho vyacutekonu dodaacuteveneacuteho elektraacuternami

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 0474

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Novyacutech Dvorciacutech použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 580 m průměrnaacute teplota t= 73 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=10372 ms Pnom se potom rovnaacute 2467 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obr

Obr 34 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro lokalitu Noveacute Dvorce Pav= 116 845 W Ročniacute

74

průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 116845 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na Červeneacutem kopci je potom Pwf=23369 kW Vypočiacutetanyacute vyacutekon je průměrně dostupnyacute 1500 hodrok jak uvaacutediacute zdroj [2] Celkovaacute elektrickaacute energie vyprodukovanaacute za 1 rok se určiacute dle vztahu

W = PWT sdot1500 = 3505 times105 kWh rok

Takto vysokaacute hodnota je daacutena předevšiacutem vhodnostiacute vybraneacute lokality kapacitniacute faktor CFA se tudiacutež bliacutežiacute nejvyššiacutem hodnotaacutem kteryacutech je elektraacuterna E33 schopna dosaacutehnout a to CFAmax= 05

65 Elektrolyzeacuter

Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutemu rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute Po uvaacuteženiacute předešlyacutech informaciacute byl pro aplikaci vybraacuten vysokotlakyacute elektrolyzeacuter NELP40 firmy Norsk Hydro Elektrolyzeacuter NELP40 maacute vyacutejimečnyacute dynamickyacute rozsah a to mezi 10 až 100 instalovaneacuteho vyacutekonu při zachovaacuteniacute vysokeacute čistoty vodiacuteku Rychlost vyacuteroby vodiacuteku okamžitě reaguje na rychleacute změny přiacutekonu což je ideaacutelniacute vlastnost pro spojeniacute s větrnou energiiacute Elektrolyzeacuter je pod delšiacute dobu schopen byacutet v režimu stand-by což umožňuje okamžiteacute obnoveniacute vyacuteroby vodiacuteku v přiacutepadě dobryacutech větrnyacutech podmiacutenek Tabulka 8 ukazuje provozniacute charakteristiky tohoto elektrolyzeacuteru

Jmenovitaacute Kapacita

Dynamickyacute rozsah kapacity

Vyacutestupniacute tlak

Čistota vodiacuteku

40 Nm3hod (36 kghod)

10 - 100 jmenoviteacute kapacity

16 bar g (232 psi g)

999

75

Naacuteběhovyacute čas ze stand-by do max kapacity

Reakce na dynamickou změnu zatiacuteženiacute

Okolniacute teplota

Kontrolniacute systeacutem

Elektrolyt

Potřebneacute napět

Frekvence zdroje

Spotřeba energie na Nm3 H2

Spotřeba vody na Nm3 H2

Vyacutekon potřebnyacute k maximaacutelniacute produkci

Vodivost vody

Průtok chladiacuteciacute vody

Teplota chladiacuteciacute vody

lt 3 sekundy

lt 1 sekunda

-20degC - +40degC

automatickyacute daacutelkovyacute monitoring a ovlaacutedaacuteniacute

32 vodnyacute roztok KOH

400 V

50 Hz

48 KWh

09 litru

192 kW

lt 5 microScm

15 m3hod při max kapacitě

lt 25degC

Tab 8 Provozniacute charakteristiky NELP40 [5]

Pro vyacutepočet celkoveacuteho množstviacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku danyacutem elektrolyzeacuterem vyjdeme z provozniacutech charakteristik elektrolyzeacuteru a celkoveacute elektrickeacute energie vyprodukovaneacute za 1 rok našimi větrnyacutemi elektraacuternami Vyacutepočet proveden v přiacuteloze 3 Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku VH potřebneacute množstviacute vody VV a hmotnost vyprodukovaneacuteho vodiacuteku mH je potom

VH = 73030Nm3H2 rokmH = 6573kg rokVV = 65730l rok

Pokud chceme vyčiacuteslit cenu produkce 1 kg vodiacuteku musiacuteme v prvniacutem kroku zařadit větrneacute podmiacutenky v našiacute lokalitě zařadit do kategorie klasifikace větrneacute energie podle obraacutezku 33

76

Obr 33 Klasifikace větrneacute energie [22]

Středniacute rychlost větru pro lokalitu Novyacutech Dvorců je vstr=74 ms-1 nicmeacuteně hustota větrneacute energie je odhadem nižšiacute proto naše lokalita spadaacute do kategorie 6 Podle obraacutezku 34 pak můžeme určit cenovyacute interval vyacuteroby 1 kg vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech Dle obraacutezku je nejnižšiacute možnaacute cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku lehce pod 3 dolary neboli 59 Kč

Obr 34 Cena elektrolytickeacute vyacuteroby 1 kg vodiacuteku dle třiacuted větrneacute energie [22]

66 Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta

Vodiacutek neniacute zdrojem ale přenašečem energie Užitiacute vodiacuteku neniacute omezeno pouze na palivoveacute člaacutenky vodiacutek je vyacutehodneacute palivo i pro klasickeacute spalovaciacute (benziacutenoveacute i naftoveacute) motory Užitiacutem vodiacuteku ve spalovaciacutech motorech vznikajiacute NOx i když jako jedineacute polutanty Diacuteky mnohem menšiacutem naacutekladům na uacutepravu spalovaciacutech motorů pro provoz na vodiacutekoveacute palivo v porovnaacuteniacute s palivovyacutemi člaacutenky se jeviacute varianta spalovaacuteniacute vodiacuteku v nich jako přechodně preferovanějšiacute řešeniacute do doby vyacuterazneacuteho sniacuteženiacute naacutekladů na palivoveacute člaacutenky nebo do doby zvyacutešeniacute jejich uacutečinnosti

77

Pro budouciacute hlavniacute vyacuterobu vodiacuteku prostřednictviacutem elektrolyacutezy vody je nutnyacute dalšiacute vyacuteznamnyacute energetickyacute nosič - elektřina Obdobně jako u elektřiny vyacutehody užitiacute vodiacuteku zaacutevisiacute na tom jak je vodiacutek vyraacuteběn Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny např vyraacuteběneacute z uhliacute zvyacutešiacute se sice bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute ale vyacuterazně se zvyacutešiacute emise CO2 Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny z obnovitelnyacutech zdrojů zvyacutešiacute se bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute a sniacutežiacute emise CO2 ale přidaacutevajiacute se dalšiacute vlivy tohoto způsobu vyacuteroby elektřiny (omezenost obnovitelnyacutech zdrojů) Umiacutestěniacute dostatečneacuteho množstviacute paliva ve vozidle je dalšiacute probleacutem kteryacute dnes neniacute uspokojivě vyřešen Hlavniacute vyacutehodou vodiacuteku jako energetickeacuteho nosiče je že nabiacuteziacute cestu k decentralizovaneacutemu energetickeacutemu trhu na baacutezi nefosilniacutech paliv Vodiacutek je možneacute použiacutevat ve vozidle jako palivo bud přiacutemo ve spalovaciacutem motoru nebo jako zdroj elektrickeacute energie v palivoveacutem člaacutenku v elektromobilu Při vyacuterobě vodiacuteku elektrolyacutezou vody použitiacutem elektrickeacute energie vyrobeneacute z obnovitelnyacutech zdrojů je vodiacutek nejčistšiacutem současnyacutem palivem Z hlediska snižovaacuteniacute emisiacute skleniacutekovyacutech plynů je podstatneacute že automobily jezdiacuteciacute na vodiacutek oproti elektromobilům využiacutevajiacuteciacutech elektřinu z fosilniacutech paliv nevytvaacuteřiacute žaacutedneacute emise oxidu uhličiteacuteho Použitiacute vzduchu jako palivoveacute složky při využitiacute niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků nepřinaacutešiacute emise NOx Probleacutemy s bezpečnostiacute a cena vozidel s přiacutemyacutem spalovaacuteniacutem vodiacuteku jsou však hlavniacute důvody proč se současnyacute vyacutevoj využitiacute vodiacuteku v automobilech orientuje spiacuteše na palivoveacute člaacutenky kde se vodiacutek využiacutevaacute na vyacuterobu elektrickeacute energie Nicmeacuteně se zaměřiacuteme na použitiacute vodiacuteku ve spalovaciacutem motoru a to převaacutežně z důvodu možneacuteho rychleacuteho nasazeniacute do provozu jelikož uacuteprava spalovaciacuteho motoru neniacute komplikovanaacute a byla už reaacutelně předvedena Dalšiacutem důvodem je cena automobil vybavenyacute palivovyacutemi člaacutenky o stejneacutem vyacutekonu jako 2 litrovyacute benzinovyacute motor maacute desetinaacutesobnou cenu celkovyacutech naacutekladu na konverzi auta se spalovaciacutem motorem [23] Palivovyacute systeacutem motoru je vybaven elektronickyacutem směšovaciacutem systeacutemem kteryacute určuje směšovaciacute poměr vodiacuteku a vzduchu Spalovaacuteniacute probiacutehaacute s přebytkem vzduchu Přiacutedavnyacute vzduch ve spalovaciacutem prostoru odniacutemaacute teplo a tiacutem klesaacute teplota plamene pod kritickou mez nad niž by se směs mohla sama vzniacutetit Vznikajiacuteciacute oxidy dusiacuteku (NOx) jsou neutralizovaacuteny v redukčniacutem katalyzaacutetoru Bez dalšiacutech přiacutedavnyacutech zařiacutezeniacute pracujiacute vodiacutekoveacute motory prakticky bez emisiacute oproti benzinu jsou všechny emisniacute komponenty sniacuteženy až o 999 [23]

661 Koncept Fordu Focus s vodiacutekovyacutem palivem

Projekt uacutepravy seacuteriově vyraacuteběneacuteho Fordu Focus byl koordinovaacuten daacutenskou nevlaacutedniacute organizaciacute Folkencenter kteraacute byla založena v roce 1983 Hlavniacute naacuteplniacute teacuteto organizace je vyacutevoj testovaacuteniacute a demonstrovaacuteniacute technologiiacute využiacutevajiacuteciacute obnovitelneacute zdroje energie Standardniacute Ford Focus s 2 litrovyacutem benziacutenovyacutem motorem byl konvertovaacuten na použitiacute vodiacuteku jako paliva Vysokotlakaacute naacutedrž na vodiacutek o objemu 90 l byla uložena do zadniacute čaacutesti automobilu Bezpečnostniacute a ovlaacutedaciacute prvky byly speciaacutelně vyvinuty Scheacutema systeacutemu je na obraacutezku 35

78

Obr 35 Scheacutema konceptu vodiacutekoveacuteho Fordu Focus [23]

Motor konceptu je startovaacuten pomociacute benziacutenu a po dostatečneacutem zvyacutešeniacute otaacuteček je automaticky přepnut na vodiacutekoveacute palivo Toto uspořaacutedaacuteniacute umožňuje plynuleacute starty a nabiacuteziacute možnost cestovaacuteniacute na delšiacute trasy za použitiacute konvenčniacutech paliv Modifikace byly provedeny na hlavě vaacutelce Palivovyacute systeacutem vodiacuteku byl nově vyvinut přesneacute elektronickeacute řiacutezeniacute motoru je založeno na rychlosti a zatiacuteženiacute motoru Maximaacutelniacute vyacutekon 46 k dostaneme při 4600 otm což umožňuje vyvinout rychlost až 110 kmh Vyacutekonovaacute křivka motoru je na obraacutezku 36

Obr 36 Porovnaacuteniacute vyacutekonu motoru Fordu Focus při použitiacute vodiacuteku a benziacutenu jako paliva [23]

79

662 Průměrnaacute spotřeba vodiacuteku jako paliva

Pro analyacutezy využitiacute vodiacuteku jako paliva a plaacutenovaacuteniacute spraacutevneacuteho rozvrženiacute čerpaciacutech stanic jsou elektrolytickeacute systeacutemy kategorizovaacuteny do naacutesledujiacuteciacutech kategoriiacute dle [24]

bull Domaacuteciacute velikost poskytne palivo pro 1-5 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 200-1000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho sousedstviacute poskytne palivo pro 5-50 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 1000-10000 kg H2rok

bull Velikost sousedstviacute poskytne palivo pro 50 - 150 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 10000-30000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho předměstiacute což může reprezentovat stojan u staacutevajiacuteciacutech benzinovyacutech pump poskytuje palivo pro 150-500 aut a produkce vodiacuteku dosahuje 30000-100000 kg H2rok

bull Velikost předměstiacute poskytne palivo pro viacutece než 500 automobilů za rok a produkce vodiacuteku bude většiacute než 100000 kg H2rok

Počet aut byl určen vyacutepočtem kteryacute předpoklaacutedaacute spotřebu jednoho auta na 200 kg vodiacuteku za rok Spotřeba 200 kg vodiacuteku předpoklaacutedaacute že auto ujede ročně průměrně 19000 km a průměrnaacute spotřeba bude 104 kg vodiacuteku na 100 km Při použitiacute stejnyacutech předpokladů a a použitiacute množstviacute naacutemi vyrobeneacuteho vodiacuteku a to mH=6573 kg může systeacutem instalovanyacute v Novyacutech Dvorciacutech pokryacutet ročniacute spotřebu až 32 automobilů Při zahrnutiacute informaciacute o naacutekladoveacute ceně na vyacuterobu jednoho 1kg paliva a průměrneacute spotřebě automobilu viz přiacuteloha 3 by cena na ujetiacute jednoho kilometru byla 061 Kč Tato cena nereflektuje daň spotřebniacute ani daň z přidaneacute hodnoty

663 Bezpečnostniacute zaacutesady

Vodiacutek je velmi lehkyacute a hořlavyacute plyn kteryacute ve spojeniacute se vzduchem vytvaacuteřiacute vyacutebušnou směs proto je potřeba dodržovat při konstrukci a provozu systeacutemů využiacutevajiacuteciacutech vodiacutek určiteacute bezpečnostniacute zaacutesady a postupy jako napřiacuteklad

bull Dokonale utěsněneacute trubkoveacute prostupy do zařiacutezeniacute a budovbull Použiacutevat bezpečnaacute zařiacutezeniacute ktereacute neprodukujiacute jiskry (osvětleniacute topeniacute

klimatizace)bull Ověřovaacuteniacute diferenčniacutech tlaků použiacutevaacuteniacute ventilaacutetorůbull Použiacutevaacuteniacute panelů miacuterniacuteciacutech přiacutepadnyacute vyacutebuchbull Testovaacuteniacute vodiacutekoveacuteho potrubiacute na tlakoveacute ztraacutety a uacutenikbull Potrubiacute a tlakoveacute naacutedoby profukovat dusiacutekem před manipulacemi s

armaturami aby jsme minimalizovali pravděpodobnost vytvořeniacute hořlaveacute směsi mezi vodiacutekem a vzduchem

Nouzoveacute vypiacutenače

Pro zajištěniacute rychleacute odstaacutevky vyacuteroby by měly byacutet v miacutestě instalace umiacutestěny nouzoveacute vypiacutenače Spraacutevneacute umiacutestěniacute samozřejmě zaacutevisiacute na konkreacutetniacutem provedeniacute systeacutemu Pro vyacuterobu vodiacuteku pomociacute elektrolyzeacuteru by měly byacutet umiacutestěny řiacutediacuteciacute budově na PLC skřiacuteni dalšiacute vhodneacute miacutesto je mimo hlavniacute vstup do produkčniacute budovy v produkčniacute budově opět umiacutestěniacute v bliacutezkosti PLC skřiacuteně

80

Aktivace nouzoveacuteho vypiacutenače by mělo naacutehle ukončit produkci vodiacuteku nebo odstavit proud přechaacutezejiacuteciacute do elektrolyzeacuteru Aktivace zavře pneumatickyacute ventil tak aby došlo k izolaci vysokotlakeacuteho vodiacuteku uloženeacuteho v zaacutesobniacuteku Naacutemi použityacute alkalickyacute elektrolyzeacuter ukončiacute svou činnost okamžitě po odstaveniacute probiacutehaacute promyacutevaacuteniacute dusiacutekem ktereacute trvaacute 10 až 15 minut

Detekce vodiacuteku

Produkčniacute budova a kompresorovna by měly miacutet vodiacutekoveacute detektory Vodiacutekoveacute detektory začnou vydaacutevat alarm když koncentrace vodiacuteku překročiacute 10 Detektory jsou kontinuaacutelně sledovaacuteny PLC ktereacute v přiacutepadě zvyacutešeniacute koncentrace odstaviacute vyacuterobu vodiacuteku a spustiacute alarm

Ventilace

Odsaacutevaciacute ventilaacutetor instalovaacuten do produkčniacute i kompresoroveacute budovy je v provozu kontinuaacutelně aby se zabraacutenilo nahromaděniacute unikajiacuteciacuteho vodiacuteku Odsaacutevaciacute ventilaacutetor je v provozu pokud probiacutehaacute vyacuteroba vodiacuteku Elektrolyzeacuter i kompresor jsou pozastaveny dokud nebude dosaženo na odsaacutevaciacutem ventilaacutetoru potřebneacute diferenciace tlaku kteryacute indikuje dostatečnyacute průtok vzduchu Tlaky jsou opět monitorovaacuteny PLC ktereacute zastaviacute vyacuterobu v přiacutepadě poklesu rozdiacutelu tlaku

Požaacuterniacute detekce

Protipožaacuterniacute ochrana se obvykle sklaacutedaacute ze dvou požaacuterniacutech hlaacutesičů odolaacutevajiacuteciacutech počasiacute a dvou optoelektronickyacutech detektorů kouře V produkčniacute budově jsou umiacutestěny UVIR detektory a detektory monitorujiacuteciacute tepelnyacute vyacutekon Všechny veškereacute detektory jsou spojeny s PLC ktereacute v přiacutepadě detekce požaacuteru odstaviacute vyacuterobu

81

Zaacutevěr

Praacutece teoreticky nastiňuje možnosti použitiacute hybridniacuteho systeacutemu spojeniacute dvou menšiacutech větrnyacutech elektraacuteren firmy Enercon o jmenoviteacutem vyacutekonu 330 kW a alkalickeacuteho elektrolyzeacuteru NELP40 firmy Norsk Hydro Zaacutekladniacutem krokem vyacutepočtu je nalezeniacute vhodneacute lokality umiacutestěniacute větrnyacutech elektraacuteren Prvotniacute vyacuteběr se provaacutediacute pomociacute větrneacute mapy kterou distribuuje ČHMUacute V našem přiacutepadě byla vybraacutena lokalita letiště v Mošnově Druhyacutem krokem je měřeniacute přiacutemo v miacutestě umiacutestěniacute potenciaacutelniacute větrneacute elektraacuterny Pro tento krok byly využity data dodanaacute miacutestniacute meteorologickou staniciacute Data se statisticky zpracovala a ukaacutezala naacutem zaacutekladniacute vlastnosti větru v mošnovskeacute lokalitě Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov je vstr=3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1 Tyto hodnoty jsou měřeny ve vyacutešce 3 m nad tereacutenem Pomociacute těchto hodnot byly určeny hodnoty tvaroveacuteho Weibull parametru k=1459 a rozměroveacuteho Weibull parametru c=3969 ms-1 Jelikož budou rotory větrneacute elektraacuterny umiacutestěny ve vyacutešce 44 m je potřeba přepočiacutetat průměrnou rychlost větru praacutevě pro 44 m průměrnaacute rychlost větru ve 44 m je potom Ur=682 ms-1 Jedniacutem ze zaacutekladniacutech faktorů ukazujiacuteciacutech kvalitu umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny je tzv kapacitniacute faktor CFA=029 tato hodnota je relativně niacutezkaacute a dalo se tedy předpoklaacutedat že lokalita v Mošnově neniacute ideaacutelniacutem miacutestem pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Domněnka byla potvrzena po dopočiacutetaacuteniacute celkoveacuteho vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren Pwf=44691 kW Tato hodnota je velmi niacutezkaacute pokud vezmeme v potaz celkovyacute nominaacutelniacute vyacutekon obou elektraacuteren kteryacute je 660 kW Podle větrneacute mapy byly vybraacuteny Noveacute Dvorce jako alternativniacute možnost umiacutestěniacute našich elektraacuteren Shodou okolnostiacute toto miacutesto již využiacutevaacute společnost Větrnaacute energie HL sro kteraacute zde umiacutestila 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele byla v miacutestě naměřena průměrnaacute rychlost větru vstr=74 ms=1 a standardniacute odchylka je potom σw=35 ms-1 Tyto hodnoty byly měřeny ve vyacutešce 10 m Vyacutepočet probiacutehal analogicky jako v prvniacutem přiacutepadě Kapacitniacute faktor CFA=0474 Stejně jako v předešleacutem přiacutepadě se dalo tušit že celkovyacute vyacutekon bude vysokyacute maximaacutelniacute kapacitniacute faktor pro větrnou elektraacuternu Enercon E33 je totiž 05 Celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren je v tomto přiacutepadě Pwf=23369 kW což je velmi dobraacute hodnota Předpoklaacutedaacute se že dostupnost tohoto vyacutekonu je 1500 hodin ročně celkovaacute vyrobenaacute elektrickaacute energie W=3505x105 kWhrok Elektrickaacute energie je spotřebovaacutena elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro kteryacute je pomociacute niacute schopen vyrobit mh=6573 kgrok Pro zjištěniacute naacutekladoveacute ceny je prvně potřeba klasifikovat větrneacute podmiacutenky podle zdroje [22] naše lokalita spadaacute do 6 kategorie a cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku je tedy 59 Kč Vodiacutek je daacutele použit jako palivo pro automobily ktereacute použiacutevajiacute konvenčniacute spalovaciacute motory upraveneacute pro spalovaacuteniacute vodiacuteku jako paliva Předpoklaacutedaacuteme že průměrnaacute spotřeba vodiacuteku na jedno auto a rok je 200 kg vodiacuteku Předpoklad zahrnuje ujetiacute 19 000 km za rok a průměrneacute spotřeby 104 kg vodiacuteku na 100 km Produkce vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech by pokryla provoz až 32 automobilů Naacutekladovaacute cena na ujetiacute 1 km by byla 061 Kč naacutekladovaacute cena pro benzinovyacute je průměrně 120 Kč Tyto ceny nereflektujiacute vyacuteši spotřebniacute daně a daně z přidaneacute hodnoty Zejmeacutena u daně z přidaneacute hodnoty se daacute předpoklaacutedat daňoveacute zvyacutehodněniacute pro vodiacutekovyacute pohon jelikož tento způsob vyacuteroby a využitiacute vodiacuteku neuvolňuje žaacutedneacute emise

82

Seznam použiteacute literatury

[1] Lakva P Netradičniacute využitiacute větrneacute energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2009 38 s Vedouciacute bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

[2] Rychetniacutek V Pavelka J Větrneacute motory a elektraacuterny ČVUT Praha 1997

[3] Wind energy [online] [citovaacuteno 2012-10-10] Dostupneacute z lthttpwwwgreenrhinoenergycomrenewablewindgt

[4] Luťcha J Hybridniacute soustava větrneacute elektraacuterny a fotovoltaickyacutech člaacutenků KG Process Innovations Brno 2009

[5] Norwegian Electrolysers [online] [citovaacuteno 2012-04-22] Dostupneacute z lthttpwwwnel-hydrogencomgt

[6] Sherif S A Barbir F Veziroglu T N Wind energy and the hydrogen economy-review of the technology Elsevier 2005

[7] Gupta R Hydrogen fuel production transport and storage San Francisco 2008 ISBN 978-1-4200-4575-8

[8] Sobotka K A wind power fuel cell hybrid system study University of Akureyri 2009

[9] Richard S A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles Universiteacute Laval 1996

[10] Agbossou K Chahine R Hamelin J Renewable energy systems based on hydrogen for remote applications Journal of Power Sources New York 2001

[11] Vijayaraghavan K Trends in biological hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy Rennes 2004

[12] Horaacutek B Koziorek J Kopřiva M Studie pohonu mobilniacuteho prostředku s palivovyacutem člaacutenkem VŠB TU Ostrava 2005

[13] Celik AN On the distributional parameters used in assessment of the suitability of wind speed probability density functions Energy Convers Manag Istanbul 2004 [14] Stolten D Krieg D Weber M An Overview on Water Electrolysis Juelich Research Center Berlin 2010

[15] Bourgeois R Advanced Alkaline Electrolysis GE Global Research Center New York 2006

[16] Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav [online] [citovaacuteno 2013-04-21] Dostupneacute z lthttpwwwchmiczgt

83

Poděkovaacuteniacute

Děkuji panu docentu Ing Jaroslavu Jiacutechovi CSc za poskytnuteacute konzultace a odbornou pomoc Daacutele bych chtěl poděkovat panu Ing Josefu Luťchovi CSc za přiacutenosneacute rady k tomuto projektu a takeacute svyacutem rodičům za podporu během celeacuteho studia

7

Obsah

Seznam použityacutech zkratek 10

Seznam použityacutech symbolů 11

Uacutevod 12

1Větrnaacute energie 14

11Větrneacute turbiacuteny 17

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek 18

2Elektrolyacuteza 24

21Princip elektrolyacutezy 24

22Typy elektrolyacutezy 25

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů 29

24Uacutečinnost elektrolyacutezy 31

25Napětiacute člaacutenků 31

26Vliv provozniacutech podmiacutenek 32

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku 33

3Metody uskladněniacute vodiacuteku 35

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu 37

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu 40

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů 42

34Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku 45

4Palivoveacute člaacutenky 47

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků 47

42Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků 48

43Princip funkce palivovyacutech člaacutenků 49

44Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků 51

45Typy palivovyacutech člaacutenků 52

8

46Systeacutem palivovyacutech člaacutenků 63

5Instalace ve světě 66

6Přiacutepadovaacute studie 69

61Vyacuteběr lokace 69

62Větrnaacute turbiacutena 69

63Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov 70

64Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce 73

65Elektrolyzeacuter 75

66Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta 77

Zaacutevěr 82

Seznam použiteacute literatury 83

Seznam přiacuteloh 85

9

Seznam použityacutech zkratek

AFC Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

ČHMUacute Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav

HF Vodiacutekovyacute filtr

ICI Imperial chemical industries

IR Infračerveneacute zaacuteřeniacute

MEA Membraacutenoveacute uskupeniacute

MCFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů

NASA Naacuterodniacute uacuteřad pro letectviacute a kosmonautiku

NHL Niacutezkyacute horniacute limit

OF Kysliacutekovyacute filtr

PAFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute

PEM Palivovyacute člaacutenek s polymerniacute membraacutenou

PLC Programovatelnyacute logickyacute automat

SOFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů

UV Ultrafialoveacute zaacuteřeniacute

VHL Vysokyacute horniacute limit

10

Seznam použityacutech symbolů

Symbol Vyacuteznam Jednotka

c Rozměrovyacute Weibull parametr -

CFA Kapacitniacute faktor -

CFAmax Maximaacutelniacute kapacitniacute faktor -

hrf Referenčniacute vyacuteška m

k Tvarovyacute Weibull parametr -

mH Hmotnost vyrobeneacuteho vodiacuteku kg

Pav Vyacutekon v naacutevrhoveacutem bodě kW

Pnom Nominaacutelniacute vyacutekon větrneacute turbiacuteny kW

Pwt Vyacutekon jedneacute větrneacute turbiacuteny kW

Pwf Vyacutekon obou větrnyacutech turbiacuten kW

Rgh Deacutelka turbulence -

Ur Naacutevrhovaacute rychlost větru ms-1

VH Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku za rok Nm3rok

vstr Středniacute rychlost větru ms-1

VV Objem vody potřebneacute k elektrolyacuteze l

Z Nadmořskaacute vyacuteška m

σw Standardniacute odchylka ms-1

Ostatniacute zde neuvedeneacute symboly jsou systematicky vysvětlovaacuteny v textu diplomoveacute praacutece

11

Uacutevod

Plneacute vyacutehody využitiacute vodiacuteku jako udržitelneacuteho zdroje paliva mohou byacutet dosaženy pouze v přiacutepadě že vodiacutek je produkovaacuten z obnovitelnyacutech zdrojů energie Využitiacute větrneacute a solaacuterniacute energie zaznamenalo v posledniacutech letech velkyacute pokrok Tento pokrok znamenaacute sniacuteženiacute ceny energie vyrobeneacute z těchto zdrojů Velmi často jsou takoveacute zdroje energie široce dostupneacute pokud napřiacuteklad bereme v uacutevahu Evropu jako celek v samotneacute Českeacute republice jsou možnosti využitiacute větru a slunečniacute energie relativně maleacute vzhledem k celkoveacute energetickeacute poptaacutevce na našem trhu Obnovitelneacute zdroje energie se mohou uplatnit v odlehlyacutech oblastech nebo v oblastech kde neniacute dostatečně vybudovaacutena elektrickaacute siacuteť a pokryacutet lokaacutelniacute energetickeacute požadavky Provoz solaacuterniacutech a větrnyacutech systeacutemů vysoce zaacutevisiacute na meteorologickyacutech podmiacutenkaacutech a tiacutem paacutedem je produkce elektřiny proměnnaacute v čase a často nereflektuje energetickeacute požadavky Řešeniacute tohoto probleacutemu je uloženiacute energie Energie se nejčastěji uklaacutedaacute pomociacute bateriiacute Baterie rychle ztraacuteciacute uloženou energii a mohou byacutet použity pouze v relativně kraacutetkeacutem časoveacutem uacuteseku Baterie majiacute takeacute limitovanou životnost Lepšiacute možnostiacute uloženiacute energie se jeviacute využitiacute vodiacutek jako nositele energie Molekulaacuterniacute vodiacutek v přiacuterodě neexistuje musiacute byacutet ziacuteskaacuten jinyacutemi způsoby Jedinaacute skutečně vyspělaacute technologie ziacuteskaacutevaacuteniacute vodiacuteku z obnovitelnyacutech zdrojů energie je elektrolyacuteza vody při ktereacute je molekula vody rozdělena na kysliacutek a vodiacutek použitiacutem elektrickeacute energie Elektrolyzeacutery jsou založeny na alkalickyacutech elektrolytech nebo protonoveacute membraacuteně kde je použit materiaacutel Nafion jako elektrolyt Stejnyacute materiaacutel je použit jako elektrolyt i v PEM palivovyacutech člaacutenciacutech Systeacutem elektrolyacutezy vody se sklaacutedaacute z elektrolytickyacutech člaacutenků nebo modulů fluidniacuteho subsysteacutemu dodaacutevajiacuteciacuteho vodu do člaacutenku a odvaacutedějiacuteciacuteho plyny ze člaacutenku a elektrickeacuteho subsysteacutemu Hlavniacutemi komponenty vodniacute elektrolyacutezy katoda anoda a separaacutetor Anoda a katoda musiacute byacutet odolneacute korozi a musiacute byacutet dobryacutemi elektrickyacutemi vodiči Kapacita produkce vodiacuteku pomociacute elektrolyacutezy se může pohybovat řaacutedově od několika cm3min až do tisiacuteců m3h Uacutečinnost procesu se řaacutedově pohybuje kolem 70 Proces elektrolyacutezy požaduje vysokou energetickou hustotu takže proce může byacutet velice drahyacute Vyacuteroba levneacuteho vodiacuteku může byacutet dosažena použitiacutem mimo-špičkoveacute elektrickeacute energie kdy je přebytek energie ze solaacuterniacutech panelů nebo větrneacute elektraacuterny použit pro proces elektrolyacutezy Vodiacutek je nejčastěji uložen ve formě stlačeneacuteho plynu v tlakovyacutech naacutedobaacutech ale existujiacute i dalšiacute možnosti uloženiacute vyrobeneacuteho vodiacuteku (v kapalneacutem stavu v pevnyacutech hydridech kovu a nebo v kapalnyacutech nosičiacutech např metanolu) V obdobiacute elektrickyacutech špiček ale při špatnyacutech povětrnostniacutech podmiacutenkaacutech může byacutet vodiacutek použit jako palivo do vysoce efektivniacutech palivovyacutech člaacutenků k uspokojeniacute elektrickeacute poptaacutevky Vodiacutek vyprodukovanyacute větrnou energiiacute lze použiacutet jako alternativniacute palivo do aut Hlavniacutemi průkopniacuteky použiacutevaacuteniacute vodiacuteku v automobiloveacutem průmyslu jsou značky BMW a Toyota Palivoveacute člaacutenky jsou zařiacutezeniacute produkujiacuteciacute elektrickou energii tak dlouho dokud je zajištěna dodaacutevka vodiacuteku jako paliva Člaacutenky pracujiacute na na přiacutemeacute elektrochemickeacute konverzi paliva dosahujiacute tak vysokeacute uacutečinnosti dosahujiacuteciacute 40 Systeacutemy využiacutevajiacuteciacute vodiacutek nabiacuteziacute flexibilitu v dimenzovaacuteniacute diacuteky modularitě elektrolyzeacuterů palivovyacutech člaacutenků a uskladněniacute vodiacuteku Komplikovanost systeacutemu založeneacuteho na vodiacuteku je velmi vysokaacute Pro zajištěniacute kontinuaacutelniacutech dodaacutevek je potřeba zajistit kvalitniacute management energetickyacutech toků mezi jednotlivyacutemi složkami systeacutemu

12

Provoz elektrolyzeacuteru a palivovyacutech člaacutenků v kombinaci s obnovitelnyacutemi zdroji energie přinaacutešiacute několik probleacutemu Prvniacutem probleacutemem je určeniacute velikosti elektrolyzeacuteru vzhledem k vyacutekonu větrneacute elektraacuterny nebo poli solaacuterniacutech panelů Jednou možnostiacute je navrhnout velikost elektrolyzeacuteru tak aby byl schopen přijmout veškeryacute vyacutekon vyprodukovanyacute vyacutekon nebo použiacutet elektrolyzeacuter s vyacutekonem nižšiacutem než je maximum zdroje V prvniacutem přiacutepadě bude elektrolyzeacuter pracovat se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem jako zdroj Toto řešeniacute je ovšem cenově meacuteně konkurenceschopneacute Druhaacute instalace je ekonomicky vyacutehodnějšiacute jelikož elektrolyzeacuter pracuje při vyššiacute kapacitě ale čaacutest elektrickeacute energie musiacute byacutet využito jinyacutem způsobem než pro vyacuterobu vodiacuteku Provoz elektrolyzeacuteru v kombinaci s obnovitelnyacutem zdrojem energie maacute několik probleacutemů ktereacute je potřeba řešit Obnovitelneacute zdroje jsou velmi nestaacuteleacute zdroje energie takto produkovaacutena může značně koliacutesat hodinu od hodiny den od dne obdobiacute od obdobiacute nebo rok od roku Proměnnyacute přiacutekon může způsobit probleacutemy s termoregulaciacute elektrolyzeacuteru Spraacutevnyacute provoz elektrolyzeacuteru zaacutevisiacute na předpoviacutedatelnyacutech pracovniacutech teplotaacutech Elektrolyzeacutery potřebujiacute určitou dobu na zahřaacutetiacute a provoz pod nominaacutelniacutem přiacutekonem může způsobit nižšiacute provozniacute teploty ktereacute majiacute za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti Komprese vodiacuteku se provaacutediacute piacutestovyacutemi a odstředivyacutemi kompresory Spotřeba kompresoru zaacutevisiacute na tlakoveacutem poměru proto je potřeba uvažovat o tlakovyacutech elektrolyzeacuterech ktereacute mohou sniacutežit celkovou spotřebu energie systeacutemu Sniacuteženiacute spotřeby je důsledkem odstraněniacutem elektrickeacute energie potřebneacute pro mechanickou kompresi Při elektrolyacuteze vznikaacute kromě vodiacuteku takeacute kysliacutek Kysliacutek je převaacutežně vypouštěn ze systeacutemu může byacutet použit při provozu palivoveacuteho člaacutenku zlepšuje totiž jeho vyacutekon Cena kysliacuteku je asi 4x menšiacute než cena vodiacuteku takže je potřeba zvaacutežit zda se vyplatiacute kysliacutek uklaacutedat při dalšiacutech naacutekladech Produkce vodiacuteku požaduje dostatečneacute množstviacute čisteacute vody Nečistoty obsaženeacute ve vodě mohou vyacuteznamně ovlivnit životnosti elektrolytickyacutech člaacutenků Voda je obvykle čištěna přiacutemo na miacutestě instalace čištěniacute vody může byacutet dalšiacutem naacutekladem při produkci vodiacuteku Při provozu elektrolyzeacuteru nastaacutevaacute kraacutetkodobeacute zvyšovaacuteniacute napětiacute způsobeneacute ustaveniacutem rovnovaacutehy obsahu vody v membraacuteně a oxidaciacute katalyzaacutetoru a dalšiacutech kovovyacutech komponentů Současneacute palivoveacute člaacutenky majiacute relativně kraacutetkou životnost kvůli degradaci membraacuteny Životnost elektrolyzeacuteru a palivoveacuteho člaacutenku je potřeba zohlednit při naacutevrhu systeacutemu Dalšiacutem velmi důležityacutem probleacutemem tyacutekajiacuteciacutem se vodiacuteku je bezpečnost Nespraacutevneacute zachaacutezeniacute a skladovaacuteniacute může způsobit určiteacute nebezpečiacute protože vodiacutek maacute niacutezkou teplotu vzniacuteceniacute a je velmi hořlavyacute Plamen hořiacuteciacuteho vodiacuteku je teacuteměř neviditelnyacute lehce tak může způsobit zraněniacute jelikož je těžce pozorovatelnyacute Vodiacutek je těkavyacute a neniacute toxickyacute Naacuteležitaacute ochrana a spraacutevneacute použitiacute systeacutemů využiacutevajiacuteciacute vodiacutek by mělo zaručit bezpečnost a spraacutevnou funkci

13

1Větrnaacute energie

Větrnaacute energie je energie pohybujiacuteciacute se vzduchoveacute masy Pohyb vzduchoveacute masy je způsoben rozdiacutelem teplot v atmosfeacuteře Slunečniacute zaacuteřeniacute ohřiacutevaacute vzduch kteryacute naacutesledně stoupaacute do vyššiacutech pater atmosfeacutery Tento pohyb vzduchu maacute za naacutesledek vytvořeniacute zoacuten nižšiacuteho tlaku vzduchu Tok vzduchu tzn viacutetr tyto tlakoveacute diference vyrovnaacutevaacute Větrnaacute energie je slunečniacute energie přeměněnaacute na kinetickou energii pohybujiacuteciacuteho se vzduchu Větrnaacute energie je globaacutelně nejrychleji rostouciacute sektor vyacuteroby energie z obnovitelnyacutech zdrojů Instalovanyacute vyacutekon v zemiacutech Evropskeacute unie dosaacutehl v roce 2012 100 GW polovina teacuteto kapacity byla instalovanaacute v posledniacutech 6 letech Obraacutezek 1 ukazuje vyacutevoj instalovaneacuteho vyacutekonu

Obr 1 Instalovanyacute vyacutekon větrnyacutech elektraacuteren v EU [14]

Větrneacute elektraacuterny tohoto vyacutekonu jsou schopny pokryacutet potřebu elektrickeacute energie pro 57 milioacutenů domaacutecnostiacute Ekvivalentniacute vyacutekon v uhelnyacutech elektraacuternaacutech by byl dosažen po spaacuteleniacute 72 milioacutenů tun uhliacute což představuje cca 750 000 vagoacutenůI přes tento rozvoj pouze vybraneacute lokality majiacute charakteristiky rychlosti a staacutelosti větru vhodneacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Hraniciacute ekonomickeacute naacutevratnosti investice je pro větrneacute elektraacuterny umiacutestěneacute ve vnitrozemiacute hodnota průměrneacute rychlosti větru 6 ms pro elektraacuterny umiacutestěneacute na moři je tato hodnota 7 ms vyššiacute hodnota je způsobena zejmeacutena zvyacutešenyacutemi investičniacutemi naacuteklady na instalaci tzv off-shore elektraacuteren Prvotniacutem krokem vybraacuteniacute vhodneacute lokality pro instalaci větrneacute elektraacuterny je průzkum satelitniacutech dat o průměrneacute rychlosti větru Zdrojem těchto dat je velkeacute množstviacute instituciacute na obr 2 je mapa vytvořena společnostiacute NASA přesněji satelitem GEOS-1 kteraacute zobrazuje ročniacute průměrnou rychlost ve vyacutešce 50 m Pro českeacute investory budou nejzajiacutemavějšiacute informace ČHMUacute kteryacute je schopen za poplatek dodat informace o směru a rychlosti větru v Českeacute republice Data jsou ovšem nepřiacutemaacute naměřeneacute hodnoty z meteorologickyacute stanic jsou aproximovanaacute pomociacute

0

25

50

75

100

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011

Vyacuteko

n [G

W]

Rok

14

matematickyacutech modelů Tyto mapoveacute podklady sloužiacute k přibližneacutemu určeniacute vhodneacute lokality Konečneacute rozhodnutiacute o instalaci by mělo byacutet založeno na dlouhodobeacutem měřeniacute na konkreacutetniacutem miacutestě plaacutenovaneacute vyacutestavby větrneacute elektraacuterny

Obr 2 Průměrnaacute rychlost větru ve vyacutešce 50 m [15]

Miacutesta s největšiacutem potenciaacutelem pro využitiacute větrneacute energie jsou nad oceaacuteny naopak miacutesta s jednou z nejhoršiacutech využitelnostiacute větrneacute energie jsou centraacutelniacute regiony velkyacutech světadiacutelů Nejvhodnějšiacute lokality pro využiacutevaacuteniacute větrneacute energie jsou pobřežniacute regiony Pobřežniacute regiony jsou znaacutemeacute silnyacutem větrem a velkyacutem poměrem světoveacute populace tzn odběratelů elektrickeacute energie Větrnaacute energie trpiacute stejnyacutem neduhem jako většina zdrojů obnovitelneacute energie a to nestaacutelostiacute a značnyacutemi sezoacutenniacutemi rozdiacutely Je velmi složiteacute přesně předpovědět energetickyacute vyacutestup z větrnyacutech zdrojů Rozvodnaacute siacuteť je schopna tyto sezonniacute vyacutekyvy absorbovat ale pouze v přiacutepadě že větrnaacute energie tvořiacute meacuteně než 20 celkoveacute kapacity siacutetě Diacuteky nestaacutelosti větrneacute energie větrneacute turbiacuteny pracujiacute s niacutezkyacutem kapacitniacutem faktorem Podiacutel větrneacute energie může byacutet vyacuterazně zvyacutešen použitiacutem skladovaciacutech technologiiacute Skladovaciacutech technologiiacute je celaacute řada pro svou praacuteci jsem si vybral jako nejslibnějšiacute technologii použitiacute vodiacuteku jako energetickeacuteho nositele Využitiacute vodiacuteku k vyacuterobě elektřiny je kontrolovatelneacute a dokaacuteže pokryacutet energetickeacute vyacutekyvy v době kdy větrneacute elektraacuterny do siacutetě elektrickou energii nedodaacutevajiacute Pro zajištěniacute spolehlivosti energetickeacuteho zdroje a optimalizaci naacutekladů na instalaci je potřeba najiacutet vhodnyacute vztah mezi jmenovityacutem vyacutekonem větrneacute elektraacuterny a vyacutekonem vodiacutekoveacuteho systeacutemu Vzdušneacute prouděniacute je proměnneacute nejenom v kraacutetkeacutem časoveacutem horizontu ale zaacuteroveň se měniacute i v raacutemci ročniacuteho obdobiacute Tato proměnnost značně ovlivňuje vyacutekonnost celeacuteho systeacutemu Větrnaacute energie se měniacute takeacute teacuteměř z hodiny na hodinu proto je potřeba vytvořit strategii pro pracovniacute režimy elektrolyzeacuteru tak aby nedochaacutezelo k časteacutemu vypiacutenaacuteniacute a zapiacutenaacuteniacute systeacutemu v zaacutevislosti na variaci větrneacute energie Přesnaacute předpověď vyacutevoje rychlosti větru zahrnuta do plaacutenovaciacutech a provozniacutech naacutestrojů systeacutemu může systeacutem značně vylepšit

15

Vyacuteroba vodiacuteku pomociacute větrneacute energie se děje pomociacute elektrolyacutezy vody tento vyacuterobniacute postup je vysvětlen v kapitole ldquoelektrolyacutezardquo Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutem rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute Pomocnaacute energie je dodaacutevanaacute ze stabilniacuteho regulovatelneacuteho zdroje V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Kombinace zdroje jako je větrnaacute elektraacuterna s elektrolyzeacutery může miacutet za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti kvůli ztraacutetaacutem způsobenyacutech konverziacute elektrickeacute energie ze stejnosměrneacute na střiacutedavou a naopak Jak usměrňovače tak invertory spotřebujiacute čaacutest energie Tyto zařiacutezeniacute mohou v ideaacutelniacutech podmiacutenkaacutech pracovat s uacutečinnostiacute kolem 93 - 95 bohužel velmi proměnou energii ziacuteskaacutevanou s větru nemůžeme považovat za ideaacutelniacute podmiacutenky tomu odpoviacutedaacute i znatelně menšiacute uacutečinnost Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute

16

11Větrneacute turbiacuteny

111Technologie

Nejčastěji použiacutevanaacute větrnaacute turbiacutena je tzv vztlakovyacute třiacutelistyacute rotor s vodorovnou osou otaacutečeniacute Pracuje na principu leteckeacute vrtule kdy viacutetr obteacutekaacute lopatky Lopatkyjsou asymetricky tvarovaacuteny proto na každeacute straně lopatky maacute obteacutekajiacuteciacute vzduch jinou

Obr 3 Zjednodušeneacute scheacutema větrneacute elektraacuterny [14]

rychlost to vytvaacuteřiacute tlakovou diferenci ktereacute maacute v konečneacutem důsledku za naacutesledek vytvořeniacute vztlakovyacutech sil ktereacute rotor roztaacutečiacute Hnaciacute uacutestrojiacute je obvykle tvořeno niacutezko-rychlostniacute hřiacutedeliacute kteraacute připojuje rotor k převodovce Převodovka je 2 až 3 stupňovaacute tzv rychlost zvyšujiacuteciacute Převodovka je připojena vysoko-rychlostniacute hřiacutedeliacute ke generaacutetoru Generaacutetory jsou typicky asynchronniacute indukčniacute a pracujiacute v rozmeziacute 550 - 690 V Některeacute turbiacuteny mohou byacutet vybaveny přiacutedavnyacutem generaacutetorem zlepšujiacuteciacutem produkci při niacutezkeacute rychlosti větru Přiacutedavnyacute generaacutetor může byacutet oddělenyacute nebo integrovanyacute v hlavniacutem generaacutetoru Součaacutestiacute větrnyacutech turbiacuten je i transformaacutetor kteryacute pomociacute elektromagnetickeacute indukce zvyšuje napětiacute proudu vznikajiacuteciacuteho ve větrneacute elektraacuterně Sběrnyacute systeacutem na miacutestě větrneacute elektraacuterny obvykle operuje se středniacutem napětiacute cca 25 - 35 kV Obraacutezek 3 zobrazuje zaacutekladniacute čaacutesti typickeacute větrneacute elektraacuterny Typickaacute větrnaacute elektraacuterna je vybavena regulačniacutem systeacutemem naklaacutepěniacute Pomociacute tohoto zařiacutezeniacute jsou uacutehly naacuteběhu listu rotoru staacutele regulovaacuteny tak aby byl rotor optimaacutelně přizpůsoben aktuaacutelniacutem větrnyacutem podmiacutenkaacutem Při vyššiacutech rychlostech větru regulačniacute systeacutemy zajišťujiacute aby vyacutekon elektraacuterny byl co možnaacute nejbliacuteže jmenoviteacuteho vyacutekonu Při nižšiacutech rychlostech optimalizujiacute předaacutevaacuteniacute vyacutekonu nastaveniacutem optimaacutelniacuteho počtu otaacuteček a optimaacutelniacuteho uacutehlu nastaveniacute rotorů Veškereacute funkce elektraacuterny jsou kontrolovaacuteny a řiacutezeny řiacutediacuteciacute jednotkou kteraacute je umiacutestěna

17

většinou ve věži Změny uacutehlu nastaveniacute listů rotoru jsou aktivovaacuteny pomociacute mžikoveacuteho ramene hydraulickyacutem systeacutemem kteryacute umožňuje listům rotovat axiaacutelně Elektricky pohaacuteněneacute převody se starajiacute o nataacutečeniacute celeacute gondoly ve směru větru Pohyb je uskutečňovaacuten pomociacute pastorku v gondole zasahujiacuteciacuteho do zubů otočneacuteho věnce kteryacute je upevněn na vrchniacute čaacutesti věže [2] Ložiskovyacute systeacutem směrovaacuteniacute větru je systeacutem kluzneacuteho ložiska se zabudovanou frikčniacute a blokujiacuteciacute funkciacute Listy rotoru jsou vyrobeny z epoxidoveacute pryskyřice vyztuženeacute skelnyacutem vlaacuteknem Každyacute list rotoru se sklaacutedaacute ze dvou polovin ktereacute jsou spojeny s nosnou traverzou Zvlaacuteštniacute oceloveacute vložky k ukotveniacute spojujiacute listy rotoru s ložiskem Brzděniacute rotoru probiacutehaacute pomociacute nastaveniacute listů Parkovaciacute brzda se nachaacuteziacute na vysokorychlostniacutem hřiacutedeli Gondola chraacuteniacute vnitřniacute komponenty elektraacuterny před povětrnostniacutemi podmiacutenkami a zviacuteřectvem Gondola je nejčastěji vyrobena z plastu[1]

Obr 4 Vztah rychlosti větru a vyacutekonu větrneacute elektraacuterny [8]

Jak je ukaacutezaacuteno na obraacutezku 4 vyacutekon větrneacute elektraacuterny je funkciacute rychlosti větru Vztah mezi vyacutekonem a rychlostiacute větru je definovaacuten pomociacute tzv vyacutekonoveacute charakteristiky kteraacute je unikaacutetniacute pro každou turbiacutenu v některyacutech přiacutepadech se může lišit i v zaacutevislosti na umiacutestěniacute elektraacuterny Pokud se budeme snažit generalizovat tak většina elektraacuteren začiacutenaacute produkovat vyacutekon při rychlosti větru okolo 2 ms jmenoviteacuteho vyacutekonu dosaacutehne okolo 13 ms a k odstaveniacute kolem 25 mskdy je nebezpečiacute poškozeniacute mechanickyacutech čaacutestiacute elektraacuterny a proto dojdek zabrzděniacute rotoru Proměnnost větru maacute za naacutesledek neustaacutelou změnu vyacutekonu Větrnaacute elektraacuterna umiacutestěna v lokaci s dobrou charakteristikou větru je schopna v ročniacutem průměru produkovat maximaacutelně 35 sveacute možneacute kapacity

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek

121Všeobecně

Vzhledem k tomu že větrneacute podmiacutenky jsou specifickeacute pro danou lokalitu a jsou vyacuterazně ovlivněny topologiiacute tereacutenu i překaacutežkami v okoliacute instalovaneacute větrneacute elektraacuterny je nutneacute ziacuteskat co nejpřesnějšiacute kvantitativniacute popis těchto podmiacutenek Elektrickeacute energie produkovanaacute danou větrnou elektraacuternou se vyacuterazně měniacute s odchylkami rychlosti větru od jejiacute středniacute hodnoty Jestliže 50 časoveacuteho uacuteseku

18

je rychlost větru 12 ms a 50 je rychlost 0 ms větrnaacute elektraacuterna vyrobiacute podstatně viacutece energie energie než když 100 tohoto času je rychlost větru 6 ms [3] Tato skutečnost vyplyacutevaacute ze zaacutevislosti vyacutekonu větrneacute elektraacuterny na třetiacute mocnině rychlosti větru [4] Pro vyhodnoceniacute očekaacutevaneacute produkce elektrickeacute energie v daneacute lokalitě je nutnaacute znalost distribuce rychlosti větru

122Počiacutetačoveacute modelovaacuteniacute

V širšiacutem měřiacutetku je možno modelovat průběh rychlosti větru počiacutetačovyacutem modelovaacuteniacutem Speciaacutelniacute vyacutepočetniacute algoritmy dokaacutežiacute popsat vliv různyacutech parametrů na rychlost větru jako je nadmořskaacute vyacuteška topografie a povrch tereacutenu Tyto modely musiacute použiacutevat vstupniacute data o charakteru větru ze znaacutemeacute lokace Roli těchto znaacutemyacutech lokaciacute zastupujiacute předevšiacutem meteorologickeacute stanice ktereacute nabiacuteziacute přesneacute měřeniacute směru a rychlosti větru pro daneacute miacutesto

Obr 5 Průměrnaacute rychlost větru v 10 m [16]

Tyto viacutetr mapujiacuteciacute programy dle znaacutemyacutech hodnot odvodiacute hodnoty rychlostiacute větru pro specifickou vyacutešku a miacutesto na zaacutekladě těchto hodnot se vytvaacuteřiacute tzv atlas větru Atlasy větru jsou vydaacutevaacuteny ve velkeacute množstviacute měřiacutetek od globaacutelniacutech map po mapy lokaacutelniacute U naacutes je zdrojem těchto map předevšiacutem ČHMUacute kteryacute tyto mapy poskytuje potencionaacutelniacutem investorům za uacuteplatu Větrneacute mapy reprezentujiacute nejlepšiacute

19

odhad větrnyacutech zdrojů na velkeacutem uacutezemiacute Nemohou však zastoupit měřeniacute větru přiacutemo na miacutestě anemometrem Sloužiacute k vybraacuteniacute lokality s větrnyacutem potenciaacutelem Dalšiacute vyhodnoceniacute vyacutenosnosti větrneacute elektraacuterny probiacutehaacute již na samotneacutem miacutestě budouciacute instalace a to vyhodnoceniacutem lokaacutelniacutech podmiacutenek ovlivňujiacuteciacutech rychlost prouděniacute větru

123Měřeniacute v miacutestě umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny

Měřeniacute rychlosti se provaacutediacute anemometrem umiacutestěnyacutem v předpoklaacutedaneacute vyacutešce rotoru aby byly vyacutesledky co možnaacute nejviacutece reprezentativniacute Samotneacute měřeniacute se obvykle provaacutediacute v průběhu jednoho roku Tato informace se uvaacutediacute nejčastěji formou sloupcoveacuteho diagramu např obr 6 kteryacute udaacutevaacute procentuaacutelniacute vyacuteskyt rychlosti větru

Obr 6 Četnost vyacuteskytu rychlostiacute větru proloženyacutech funkciacute Weibull

ve třiacutedaacutech o šiacuteřce 1 ms Ze sloupcoveacuteho grafu se vyhodnocuje středniacute rychlost větru zpravidla během jednoho roku většinou tzv Weibullovyacutem rozděleniacutem (fialovaacute křivka na obraacutezku 6) Středniacute rychlost je daacutele použiacutevaacutena při vyacutepočtech vyacutekonu Weibullova funkce je pravděpodobnostniacute dvouparametrovaacute funkce kteraacute maacute tvar

p(v) = kA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ sdot

vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdoteminus vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

kde p(v) pravděpodobnost vyacuteskytu rychlosti v v rychlost větru [ms] k tvarovyacute parametr [-] A parametr měřiacutetka [ms]

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Čet

nost

vyacutes

kytu

[]

Rychlost větru [ms]

20

Rychlost větru je nejnižšiacute na zemskeacutem povrchu a zvyšuje se se stoupajiacuteciacute vyacuteškou tento jev je spojen s vyacuteskytem mezniacute vrstvy při povrchu Vyacutekon větrneacute elektraacuterny je

Obr 7 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

v podstatě uacuteměrnyacute třetiacute mocnině středniacute rychlosti větru Hlavniacute snahou je tedy umiacutestit rotor co možnaacute nejvyacuteše Tento jev je ilustrovaacuten uvedenyacutem vertikaacutelniacutem rychlostniacutem profilem na obraacutezku 7 Z uvedeneacuteho grafu je patrneacute zvyacutešeniacute rychlosti až do vyacutešky 40 - 50 m Kvantitativně tento jev shrnuje obecnaacute tabulka 1 v přiacutepadě je uvažovaacuten nominaacutelniacute vyacutekon při vyacutešce osy rotoru 10 m potom je růst vyacutekonu s rostouciacute vyacuteškou naacutesledujiacuteciacute

Vyacuteška osy rotoru

Zvyacutešeniacute vyacutekonu

10 m 0

19 m 41

27 m 75

36 m 100

46 m 125

Tab 1 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vyacutešk

a [m

]

Rychlost větru[ms]

21

124 Miacutestniacute faktory ovlivňujiacuteciacute rychlost větru

Rychlost větrneacuteho prouděniacute neovlivňujiacute pouze globaacutelniacute faktory jako je topografie geografickeacute umiacutestěniacute a dalšiacute faktory širšiacuteho charakteru Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru se měniacute takeacute s drsnostiacute povrchu turbulenciacute za překaacutežkami Zvyacutešenaacute drsnost povrchu v protisměru převlaacutedajiacuteciacuteho větru může zvyacutešit jeho rychlost v ose rotoru s naacuteslednyacutem zvyacutešeniacutem vyacutekonu [2] Pro kvantitativniacute vyhodnoceniacute vlivu drsnosti povrchu na rychlost větru se použiacutevaacute vztah mezi vyacuteškami osy rotoru a odpoviacutedajiacuteciacutemi rychlostmi větru a vypadaacute takto

kde v rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce osy rotoru h vref rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce rotoru href α exponent jehož hodnota vyjadřuje charakter drsnosti

Pro danou lokalitu je potřebneacute naleacutezt hodnotu exponentu α z vyacutesledků měřeniacute rychlosti větru Typickeacute obecneacute hodnoty exponentů pro větrnou elektraacuternu s referenčniacute vyacuteškou 35 m jsou v tabulce 2

Drsnost povrchu α [ - ]

Faktor zvyacutešeniacute [ - ]

Velmi niacutezkaacute (klidnaacute hladina moře)

010 145

Niacutezkaacute (louky pole)

016 182

Průměrnaacute (les křoviny)

020 212

Vyššiacute (vesnice roztroušeneacute domy)

028 286

Vysokaacute (město s vysokyacutemi budovami)

040 450

Tab 2 Hodnoty exponentu α [4]

Dalšiacutem důležityacutem faktorem ovlivňujiacuteciacutem rychlost větru a chod větrneacute elektraacuterny je turbulence Turbulence je charakterizovanaacute rychlyacutemi změnami rychlosti větru a je měřena standardniacute odchylkou σ od středniacute hodnoty okamžiteacute rychlosti větru zaznamenanyacutech každeacute 2 sekundy po dobu 10 minut Intenzita turbulence je definovanaacute ke středniacute hodnotě rychlosti větru vstr je často definovanaacute jako

v = vref sdothhref

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

α

22

Intenzitu turbulence v miacutestě zamyacutešleneacute instalace větrneacute elektraacuterny je potřebneacute porovnat se standarty mezinaacuterodniacute elektrotechnickeacute komise IEC Tyto standarty pomaacutehajiacute při určeniacute zda turbulence v daneacutem miacutestě nejsou mimo předepsaneacute limity Pokud hodnoty intenzity turbulenciacute přesahujiacute limity způsobily by zkraacuteceniacute životnosti větrneacute elektraacuterny hlavně vlivem uacutenavy konstrukčniacutech materiaacutelů IEC standarty použiacutevajiacute 2 hodnoty

vysokyacute horniacute limit VHL = 012middotvstr+095 niacutezkyacute horniacute limit NHL = 012middotvstr+060

Je-li intenzita turbulence menšiacute než niacutezkyacute horniacute limit je lokalita vhodnaacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Pokud je intenzita většiacute než vysokyacute horniacute limit vyacutestavba neniacute vhodnaacute Turbulence děliacuteme podle druhu vzniku na mechanickou termickou a dynamickou Mechanickaacute turbulence vznikaacute třeniacutem proudiacuteciacuteho vzduchu o nerovnyacute zemskyacute povrch Intenzita mechanickeacute turbulence je zaacutevislaacute na členitosti tereacutenu (stromy les budovy) a na rychlosti větru Zvlaacuteštniacutem druhem mechanickeacute turbulence je turbulence orografickaacute Orografickaacute turbulence vznikaacute důsledkem prouděniacute vzduchu přes horskeacute překaacutežky Tato turbulence vznikaacute i při stabilniacutem zvrstveniacute vzduchu v důsledku vyacuterazneacute deformace vzdušneacuteho proudu V zaacutevětřiacute horskyacutech hřebenů vznikajiacute vertikaacutelniacute pohyby o rychlosti plusmn 10 ms Jeseniacuteky jsou u pilotů kluzaacuteku vyhledaacutevaacuteny praacutevě kvůli časteacutemu vyacuteskytu orografickeacute turbulence kteraacute jim dovoluje provaacutedět přelety v řaacutedech stovek kilometrů Termickaacute turbulence vznikaacute v důsledku labilniacuteho zvrstveniacute atmosfeacutery při prouděniacute studeneacuteho vzduchu nad teplejšiacute povrch nebo v důsledku nerovnoměrneacuteho ohřevu zemskeacuteho povrchu Dynamickaacute turbulence vznikaacute v oblastech velkeacuteho střihu větru Nejčastěji je spojena s oblastmi proudoveacuteho toku

I = σvstr

23

2Elektrolyacuteza

Viacutece než 400 průmyslovyacutech vodniacutech elektrolyzeacuterů bylo v provozu na začaacutetku devatenaacutecteacuteho stoletiacute V roce 1939 byla vybudovaacutena prvniacute velkaacute tovaacuterna v Lonze využiacutevajiacuteciacute vodniacute elektrolyacutezu kteraacute produkovala 10000 Nm3 H2 hod Převaacutežnaacute většina světově produkovaneacuteho vodiacuteku je spotřebovaacutena v petrochemickeacutem průmyslu a při vyacuterobě amoniaku a methanolu Elektrolytickyacute vodiacutek je využiacutevaacuten v menšiacutech aplikaciacutech zvlaacuteště tam kde je požadovaacutena vysokaacute čistota vodiacuteku V potravinaacuteřskeacutem průmyslu je vodiacutek použiacutevaacuten pro zvyacutešeniacute stupně nasyceniacute u tuků a olejů zvyšuje tak jejich bod taacuteniacute a odolnost vůči oxidaci V elektronickeacutem průmyslu je použiacutevaacuten jako redukčniacute činidlo v epitaxaacutelniacutem růstu polysilikonu a ve vyacuterobě integrovanyacutech obvodů V jaderneacutem průmyslu vodiacutek zastupuje roli čističe kysliacuteku kdy odstraňuje kysliacutekoveacute stopy ktereacute mohou způsobit korozniacute poškozeniacute materiaacutelu Maleacute množstviacute vodiacuteku je použiacutevaacuteno takeacute ve farmaceutickeacutem sklaacuteřskeacutem a plasma průmyslu Diacuteky sveacute dobreacute tepelneacute vodivosti je použiacutevaacuten jako chladiacuteciacute meacutedium v elektrickyacutech generaacutetorech elektraacuteren Proces elektrolyacutezy je elektrochemickyacute rozpad molekuly vody na jednotliveacute složky jmenovitě vodiacutek a kysliacutek [7] Podle druhu elektrolytu použiacutevaneacuteho pro přenos elektrickeacuteho proudu v procesu děliacuteme elektrolyacutezu vody na 4 zaacutekladniacute typy Na začaacutetku 19 stoletiacute použiacutevaly prvniacute zařiacutezeniacute na elektrolyacutezu jako elektrolyt kyselinu později bylo od teacuteto metody odstoupeno převaacutežně pro probleacutemy s koroziacute Elektrolyzeacutery použiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolytickou membraacutenu jsou druhyacutem typem Použitaacute membraacutena vodiacute protony a nepropouštiacute kysliacutek Tato technologie je relativně novaacute takže v současneacute době neexistujiacute velkeacute aplikace tohoto druhu elektrolyacutezy Dalšiacutem typem elektrolyacutezy je tzv parniacute elektrolyacuteza probiacutehajiacuteciacute při vysokeacute teplotě použiacutevajiacuteciacute keramickyacute elektrolyt vodiacuteciacute kysliacutekovyacute ion tento způsob maacute potenciaacutel pro vysokou uacutečinnost v současneacute době prokaacutezanou pouze laboratorně V dnešniacute době je nejrozšiacuteřenějšiacute elektrolyacuteza použiacutevajiacuteciacute alkalickyacute elektrolyt nejčastěji hydroxid draselnyacute

21Princip elektrolyacutezy

Při vedeniacute stejnosměrneacuteho proudu mezi dvěma elektrodami ve vodě vznikaacute vodiacutek kysliacutek a teplo podle naacutesledujiacuteciacute rovnice

Čistaacute voda je ovšem špatně vodivaacute proto se musiacute byacutet přidaacuten vodivyacute elektrolyt kteryacute zajistiacute technicky akceptovatelnou uacuteroveň potřebneacuteho napětiacute Elektrickeacute napětiacute přivedeneacute na elektrody musiacute přesaacutehnout minimaacutelniacute hodnotu tak aby reakce proběhla Hodnota tohoto napětiacute je určena Gibbsovou entalpiiacute rozkladu vody a je funkciacute tlaku a teploty Za standardniacutech podmiacutenek (teplota 25 degC tlak 1 bar) je to 123 V Teoretickaacute energie potřebnaacute pro průběh elektrolyacutezy se vyjadřuje pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vyacuterazu

kde ΔH změna entalpie reakce ΔG změna Gibbsovy volneacute energie T teplota a ΔS změna entropie Změna entalpie při standardniacutech podmiacutenkaacutech je 2858 kJmol Změna Gibbsovy volneacute energie je při standardniacutech podmiacutenkaacutech 2372 kJmol To znamenaacute

H2O⎯rarr⎯ H2 +12O2

ΔH = ΔG +T sdot ΔS

24

že 2372 kJ mol z 2858 kJmol musiacute byacutet dodaacuteno elektrickyacutem proudem a zbylaacute čaacutest může byacutet dodaacutena elektrickyacutem proudem nebo teplem V reaacutelnyacutech podmiacutenkaacutech pro niacutezkoteplotniacute elektrolyacutezy je však veškeraacute potřebnaacute energie dodaacutena elektrickyacutem proudem [8] Dalšiacute termodynamickou charakteristikou elektrolyacutezy je reverzibilniacute napětiacute Vyjadřuje minimaacutelniacute elektrickyacute potenciaacutel potřebnyacute k elektrolytickeacute reakci při standardniacutech podmiacutenkaacutech se rovnaacute 123 V

kde 2 je počet elektronů potřebnyacutech k rozděleniacute molekuly vody a F je Faradayova konstanta Termoneutraacutelniacute napětiacute je napětiacute při ktereacutem by pracoval dokonale efektivniacute člaacutenek v přiacutepadě že veškereacute potřebnaacute energie je dodaacutevaacutena elektrickyacutem proudemPro standardniacute podmiacutenky se rovnaacute 148 V a je vyjaacutedřeno naacutesledujiacuteciacutem vztahem

Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem menšiacutem než je napětiacute reverzibilniacute nedojde k rozkladu molekuly vody Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem v rozmeziacute mezi reverzibilniacutem a termoneutraacutelniacutem napětiacute elektrolytickyacute proces je endotermickyacute Je potřeba dodat teplo pro rozpad molekuly vody Napětiacute většiacute než termoneutraacutelniacute napětiacute maacute za naacutesledek že proces je exotermickyacute a veškeraacute energie je dodaacutena z elektrickeacuteho proudu Přidaneacute teplo je potřeba odstranit Reversibilniacute i termoneutraacutelniacute napětiacute jsou funkcemi teploty tlaku a složeniacute elektrolytu [8] Zaacutekladniacutemi čaacutestmi člaacutenku na vodniacute elektrolyacutezu je katoda anoda a oddělovač Katoda musiacute byacutet odolnaacute korozi umiacutestěnaacute v elektrolytu s redukčniacutem potenciaacutelem Katoda musiacute byacutet dobryacute vodič a miacutet strukturaacutelniacute celistvost Elektrody jsou od sebe odděleny membraacutenou nepropouštějiacuteciacute plyny

22Typy elektrolyacutezy

221Alkalickaacute elektrolyacuteza

Alkalickaacute elektrolyacuteza je v současnosti komerčně nejpoužiacutevanějšiacute elektrolyacutezou Tři největšiacute elektrolyzeacutery byly instalovaacuteny ve 40 letech na dodaacutevky vodiacuteku do zařiacutezeniacute na vyacuterobu amoniaku a naacuteslednou vyacuterobu hnojiva Tyto elektrolyzeacutery jsou umiacutestěny v Indii (De Nora) Norsku (Norsk-Hydro) a Egyptě (Demag) Obraacutezek 8 scheacutematicky zobrazuje alkalickyacute elektrolytickyacute člaacutenek

Erev =ΔG2 sdotF

Etn =ΔH2 sdotF

25

Obr 8 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [8]

V alkalickeacutem člaacutenku probiacutehaacute naacutesledujiacuteciacute zjednodušenaacute reakce

V elektrolytu 2H2O⎯rarr⎯ 2H + + 2OH minus

Na katodě 2H + + 2eminus ⎯rarr⎯ H2

Na anodě 2OH minus ⎯rarr⎯ 1

2+ H2O + 2eminus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ H2 +O2

Alkalickaacute elektrolyacuteza probiacutehaacute při teplotě kolem 80degC a při tlaku v rozmeziacute 1 až 30 barů Pro průběh elektrolyacutezy je zapotřebiacute zajistit plynulyacute pohyb hydroxidovyacutech ionů (OH-) z katody na anodu ale zabraacutenit smiacutechaacuteniacute produkovanyacutech plynů Tyto požadavky splňuje tzv separaacutetor (membraacutena nebo clona) Separaacutetorje umiacutestěn mezi elektrody a diacuteky svyacutem charakteristickyacutem vlastnostem propouštiacute hydroxidoveacute iony zatiacutemco zabraňuje v pronikaacuteniacute jednotlivyacutech plynů Voda je obvykle přidaacutevaacutena do cirkulujiacuteciacuteho elektrolytu je to takeacute způsob jak odstranit odpadoveacute teplo z reakce a kontrolovat teplotu procesu Tradičniacute alkalickeacute elektrolyzeacutery jsou konstruovaacuteny pomociacute tzv zero gap design (naacutevrh bez mezery) kde anoda i katoda jsou umiacutestěny do bezprostředniacute bliacutezkosti separaacutetoru Umiacutestěniacute obou elektrod bliacutezko sebe maacute za naacutesledek sniacuteženiacute ohmickyacutech ztraacutet v elektrolytu Pokud se při elektrolyacuteze vytvaacuteřiacute bublinky plynů jsou transportovaacuteny do zadniacute strany elektrod skrze mezery v perforovanyacutech elektrodaacutech a tiacutem paacutedem nebudou blokovat proud ionů mezi elektrodami Vodiacutek je ziacuteskaacutevaacuten na katodaacutech jeho čistota je až 98 objemovyacutech kde jedinyacutemi nečistotami jsou kysliacutek a voda Vodiacutek může byacutet daacutele čištěn až na koncentraci teacuteměř 100 a to odstraněniacutem kysliacuteku v katalytickeacutem deoxideacuteru a vody v sušičce Těmito procedurami ovšem ztratiacuteme 5-10 celkoveacute produkce vodiacuteku Je potřeba si tuto ztraacutetu uvědomit při požadavciacutech na 100 čistyacute vodiacutek

26

Na obraacutezku 9 je zjednodušenyacute diagram průmysloveacuteho uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy Vodiacutek a kysliacutek opouštějiacute proces kde dochaacuteziacute k elektrochemickeacute disociaci vody odděleně přes naacutedoby HV a OV kde jsou odstraňovaacuteny zbytky elektrolytickeacuteho roztoku Elektrolyt a plyny jsou daacutele ochlazeny Z naacutedob pokračujiacute přes filtry HF A OF k odstraněniacute stop po elektrolytu Kysliacutek je uložen nebo spotřebovaacuten v dalšiacutech aplikaciacutech Vodiacutek může byacutet takeacute použiacutet ihned po průchodu filtry nicmeacuteně na obraacutezku 9 prochaacuteziacute dalšiacute čistiacuteciacute sekciacute Čistiacuteciacute sekce se sklaacutedaacute z deoxideacuteru kde dochaacuteziacute ke spalovaacuteniacute kysliacuteku obsaženeacuteho ve vodiacuteku na vodniacute paacuteru kteraacute je daacutele odstraněna v sušičce

Obr 9 Průmysloveacute uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy [7]

222Elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute membraacutenu

Kyseleacute roztoky nejsou v dnešniacute době přiacuteliš použiacutevaacuteny v průmysloveacute elektrolyacuteze vody ale i přesto nabiacutezejiacute alternativu k tekutyacutem alkalickyacutem elektrolytům Polymerniacute membraacuteny se vyznačujiacute velmi dobrou vodivostiacute protonů a špatnou vodivostiacute elektronů Polymerniacute membraacutena tak umožňuje tok protonů mezi elektrodami a zaacuteroveň zabraňuje stejneacutemu pohybu elektronů Elektrony musiacute použiacutet vnějšiacute obvod pro přechod mezi elektrodamiPro kyselyacute elektrolyt vypadaacute rovnice elektrolyacutezy naacutesledovně

Katoda 2H 3O + 2eminus ⎯rarr⎯ 2H2O + H2

Anoda 3H2O⎯rarr⎯ 2H 3O+ +O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

27

Obr 10 Scheacutema elektrolyacutezy s polymerniacute membraacutenou

Polymerniacute membraacutena zastupuje roli jak separaacutetoru tak elektrolytu Většina materiaacutelu membraacuten je založena na sulfonovanyacutech fluoropolymerech k vedeniacute protonů Nejznaacutemějšiacute materiaacutelem membraacuten je tzv Nafionreg kteryacute byl vyvinut společnostiacute Dupont Sulfonoveacute kyseliny jsou vysoce hydrofilniacute (přitahuje vodu) na druhou stranu fluropolymer je hydrofobniacute (odpuzuje vodu) Uvnitř hydratovanyacutech oblastiacute se H+ iony (protony) mohou relativně volně pohybovat tedy vytvaacuteřet zřeďovaneacute kyseliny H+ iony se mohou pohybovat na kraacutetkeacute vzdaacutelenosti i mimo hydratovaneacute oblasti pomociacute podporujiacuteciacutech dlouhyacutech molekulovyacutech struktur Tento pohyb je mnohem obtiacutežnějšiacute Hydratovanaacute membraacutena je tedy jeden z důležityacutech faktorů usnadňujiacuteciacute pohyb protonů a tiacutem paacutedem celkovou miacuteru elektrolyacutezy Horniacute limit teploty pro vyacuteměnu elektronů membraacutenou je okolo 125-150 degC ale většina elektrolyzeacuterů pracuje v režimu s tekutou vodou při teplotě cca 80 degC Vyššiacute pracovniacute teploty ktereacute by zlepšily kinematiku reakce můžeme dosaacutehnout diacuteky novyacutem polymerniacutem materiaacutelům nebo keramickyacutem materiaacutelům vodiacuteciacutem protony Vyššiacute teplota ovšem maacute za naacutesledek generaci většiacuteho množstviacute tepla Teplo musiacute byacutet odstraněno pomociacute cirkulace dostatečneacuteho množstviacute vody podeacutel anodoveacute elektrody člaacutenku Elektrody jsou většinou tvořeny tenkou vrstvou platinoveacuteho katalyzaacutetoru připevněneacuteho k membraacuteně Platina je považovaacutena za nejlepšiacute katalyzaacutetor jak pro anodu tak katodu diacuteky svyacutem termodynamickyacutem a kinetickyacutem vlastnostem Platina je nejnaacutekladnějšiacute čaacutesti elektrolytickyacutech člaacutenků i přes to že se množstviacute použiacutevaneacute platiny značně sniacutežilo [9] Elektrolyacuteza s pevnou membraacutenou pracuje s vyššiacute proudovou hustotou než alkalickaacute elektrolyacuteza I přes vyššiacute ceny materiaacutelů je pro ně potřebnaacute menšiacute plocha člaacutenků pro produkci stejneacuteho množstviacute vodiacuteku než pro alkalickeacute člaacutenky

28

223Parniacute elektrolyacuteza

Parniacute elektrolyacuteza probiacutehaacute za mnohem vyššiacute teploty než předešleacute typy typicky je to kolem 900-1000 degC a voda je do procesu přivaacuteděna jako paacutera Elektrolyt je vyroben z pevneacuteho keramickeacuteho materiaacutelu kteryacute vede kysliacutekoveacute iony Vysokaacute provozniacute teplota je nezbytnaacute pro keramickyacute materiaacutel aby byl dostatečně iontově vodivyacute Parniacute elektrolyzeacutery dodaacutevajiacute velkou čaacutest potřebneacute energie na elektrolyacutezu pomociacute tepla z paacutery miacutesto elektřiny [9] Principiaacutelně funguje stejně jako elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolyt Pevnyacute keramickyacute elektrolyt dovoluje kysliacutekovyacutem ionům prochaacutezet materiaacutelem od katody k anodě zatiacutemco zabraňuje pohybu elektronů ktereacute se přemisťujiacute externiacutem obvodem Keramickyacute elektrolyt takeacute zabraňuje promiacutechaacutevaacuteniacute vznikajiacuteciacutech plynů Na obraacutezku 11 je scheacutematicky zobrazen princip parniacute elektrolyacutezy

Obr 11 Princip parniacute elektrolyacutezy [9]

Zaacutekladniacute reakce probiacutehaacute v elektrodaacutech a odlišuje se od předešlyacutech způsobů elektrolyacutezy Celkovaacute reakce rozpadu vody zůstaacutevaacute nezměněna

Katoda H2O + 2eminus ⎯rarr⎯ H2 +O2minus

Anoda O2minus ⎯rarr⎯ 1

2O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

Vodniacute paacutera je je přivaacuteděna do komory u anody kde reaguje s elektrony a rozpadne se na vodiacutekoveacute a kysliacutekoveacute ionty Po přechodu k anodě kysliacutekoveacute ionty uvolňujiacute elektrony a tak vytvořiacute plynnyacute kysliacutek

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů

Za uacutečelem ziacuteskaacuteniacute požadovaneacuteho množstviacute vodiacuteku jsou elektrolyzeacutery tvořeny většiacutem počtem elektrolytickyacutech člaacutenků nebo paacuterů elektrod ktereacute mohou byacutet spojeny seacuteriově nebo paralelně Existujiacute dva druhy uspořaacutedaacuteniacute člaacutenků a to monopolaacuterniacute (naacutedržovyacute) a bipolaacuterniacute

29

V monopolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute je každaacute elektroda spojena a je napaacutejena externiacutem proudem Elektrody jsou jedno-polaacuterniacute každaacute je katoda nebo anoda Člaacutenky jsou spojeny paralelně tudiacutež napětiacute je stejneacute jak v jednotlivyacutech člaacutenciacutech tak v celeacute naacutedrži bez ohledu na celkovyacute počet člaacutenků Napětiacute je typicky kolem 12 - 2 V Tato konfigurace je jednoduchaacute robustniacute a snadnaacute na uacutedržbu Použiacutevajiacute se relativně levneacute čaacutesti a jednotliveacute buňky jsou snadno izolovatelneacute pro provedeniacute uacutedržby Ze sveacute podstaty maacute většiacute spotřebu energie diacuteky poklesu potenciaacutelu v člaacutenciacutech a je nutneacute použiacutevat vysokyacute proud pro přiměřenou produkci [9]

Obr12 Princip monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute [9]

V bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute jsou elektrody bipolaacuterniacute každaacute elektroda je na jedneacute straně anoda a na druheacute katoda s vyacutejimkou dvou koncovyacutech elektrod z nichž je jedna anoda a druhaacute katoda Buňky jsou spojeny elektricky paralelně a hydraulicky seacuteriově jak je zobrazeno na obraacutezku 13 Proud teče z jedneacute buňky do druheacute a tiacutem paacutedem je stejnyacute pro všechny buňky Celkoveacute napětiacute člaacutenku je rovno součtu napětiacute jednotlivyacutech buněk Každeacute napětiacute zaacutevisiacute na proudoveacute hustotě což je proud na jednotku plochy elektrody a na teplotu elektrolyacutezy V praxi je volt-ampeacuterovaacute charakteristika elektrolyzeacuteru unikaacutetniacute zaacutevisejiacuteciacute na aktivitě elektrody tepelneacute uacutečinnosti a dalšiacutech konstrukčniacutech charakteristikaacutech elektrolyzeacuteru [7]

Obr 13 Princip bipolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute zdroj [9]

V současneacute době neexistujiacute elektrolyzeacutery vyvinuty speciaacutelně pro použitiacute s větrnyacutemi elektraacuternami nicmeacuteně rychlaacute reakce elektrochemickeacuteho systeacutemu na změny energie je dělaacute vhodnyacutemi pro zaacutetěž vyskytujiacuteciacute se při tomto spojeniacute

30

s větrnyacutemi rotory Vyacutepadky dodaacutevek elektřiny však mohou způsobit probleacutemy s koroziacute na elektrodaacutech pokud nejsou chraacuteněny polarizačniacutem proudem v přiacutepadě vyacutepadku dodaacutevky

24Uacutečinnost elektrolyacutezy

V literatuře existuje nejednotnost vyacutekladu co vlastně uacutečinnost elektrolyacutezy je a jak se určuje Autoři zmiňujiacute uacutečinnost energetickou uacutečinnost elektrickou uacutečinnost proudovou uacutečinnost elektrochemickou uacutečinnost Daacutele takeacute zaacutevisiacute zda se jednaacute o uacutečinnost celeacuteho systeacutemu nebo jednotlivyacutech člaacutenků[9][7]Nejobecnějšiacute definice energetickeacute uacutečinnosti elektrolytickeacuteho procesu je

Energetickaacute uacutečinnost = Energetickyacute vyacutestup Celkovaacute dodanaacute energie

V přiacutepadě konvenčniacute vodniacute elektrolyacutezy je energetickyacute vstup limitovaacuten velikostiacute dodaneacute elektrickeacute energie proto je energetickaacute uacutečinnost definovaacutena poměrem energie kteraacute může byacutet obnovena reoxidaciacute vodiacuteku a kysliacuteku za vzniku vody (vyacutehřevnost vodiacuteku) a energie dodaneacute systeacutemu prostřednictviacutem elektrickeacuteho proudu

Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy = Vyacutehřevnost Celkovaacute vstupniacute elektrickaacute energie

Podle teacuteto definice může uacutečinnost přesaacutehnout hodnotu 100 jelikož nebere v uacutevahu energii dodanou do procesu teplem Toto je přiacutepad kdy elektrolyzeacuter pracuje pod termoneutraacutelniacutem napětiacutem když teplo okoliacute je použito jako energetickyacute zdroj a definice jej nebere v uacutevahu [9] Na uacuterovni člaacutenku se energetickaacute uacutečinnost elektrolyacutezy vyjadřuje jako poměr termoneutraacutelniacuteho napětiacute UTN (při standardniacutech podmiacutenkaacutech UTN = 148 V) vůči skutečneacutemu napětiacute člaacutenku U vynaacutesobeno uacutečinnostiacute proudu Uacutečinnost proudu φP je jednoduše poměr počtu elektronů teoreticky potřebnyacutech pro pro vyacuterobu daneacuteho množstviacute vodiacuteku ku skutečneacutemu počtu elektronů dodanyacutech elektrickyacutem proudem potřebnyacutech k vyacuterobě daneacuteho množstviacute vodiacuteku Tato uacutečinnost je typicky kolem 999 Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy ηel je tedy vyjaacutedřena naacutesledujiacuteciacutem vztahem

V zaacutevislosti na zvoleneacutem typu elektrolyacutezy a pracovniacutemi podmiacutenkami se uacutečinnost pohybuje v rozmeziacute 75 - 95 Takto vysokeacute hodnoty uacutečinnosti platiacute pro elektřinu jako zdroj energie Pokud ovšem vezmeme elektřinu jako energetickyacute vyacutestup jineacuteho energetickeacuteho zdroje jako např uhliacute zemniacute plyn nebo zdroje obnovitelneacute energie tak celkoveacute uacutečinnost vyacuteroby vodiacuteku elektrolyacutezou klesne na hranici 30

25Napětiacute člaacutenků

Spotřeba energie elektrolyacutezy je přiacutemo spojena s napětiacutem na člaacutenku a nepřiacutemo s proudovou uacutečinnostiacute Jak už bylo zmiacuteněno dřiacuteve proudovaacute uacutečinnost se bliacutežiacute k hodnotě 100 tzn že důležityacutem parametrem při navrhovaacuteniacute elektrolytickyacutech člaacutenku je napětiacute na člaacutenku

ηel =UTN

UsdotϕP

31

Elektrolyacuteza vody za skutečnyacutech podmiacutenek vyžaduje napětiacute U ktereacute je podstatně vyššiacute než vratneacute napětiacute Urev Musiacute překonat elektrickyacute odpor v elektrodaacutech v elektrolytu mezi elektrodami a separaacutetoru Daacutele musiacute pokryacutet přepětiacute na elektrodaacutech Napětiacute na člaacutenku pak může byacutet vyjaacutedřeno

kde ηK je přepětiacute na katodě ηA je přepětiacute na anodě j je proudovaacute hustota a R je suma elektrickyacutech odporů založenaacute na aktivniacute ploše elektrod Elektrickyacute odpor v elektrodaacutech zaacutevisiacute na typu složeniacute materiaacutelu a teplotě Přepětiacute je určeno aktivitou plochy elektrod složeniacute elektrolytu a teplotou Ohmickyacute odpor spojenyacute s pohybem elektronů je v relativně nevyacuteznamnyacute v bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute představuje ale nezanedbatelnyacute vliv v přiacutepadě monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů [9]

26Vliv provozniacutech podmiacutenek

261Teplota

Zvyacutešeniacute teploty elektrolyacutezy snižuje vratneacute napětiacute UREV a tiacutem paacutedem i celkovou energii vstupujiacuteciacute do procesu Pokud teplota vzroste z 250degC na 1000degC vstupniacute elektrickaacute energie může byacutet sniacutežena o 25 Nicmeacuteně celkovaacute energie potřebnaacute k provedeniacute elektrolyacutezy při vysokeacute teplotě je o něco vyššiacute Vyacutehoda vysokeacute teploty v elektrolytickeacutem procesu je použitiacute tepla jako energetickeacuteho vstupu a tiacutem zvyacutešeniacute uacutečinnosti diacuteky zvyacutešeneacute kinetice procesu Pokud je zdroj tepla snadno dostupnyacute je všeobecně mnohem levnějšiacute než elektřina tento fakt pak může značně ovlivnit celkovou ekonomiku procesu [9]

262Tlak

Tlak při procesu elektrolyacutezy maacute takeacute vliv na energetickeacute požadavky pro vyacuterobu elektrolytickeacuteho vodiacuteku Vratneacute napětiacute při daneacute teplotě T a tlaku p může byacutet určeno z Nernstovi rovnice jako

kde R označuje univerzaacutelniacute plynovou konstantu n počet elektronů potřebnyacutech pro rozděleniacute molekuly vody (n=2) F pro Faradayovu konstantu a aktivita jednotlivyacutech molekul Urev T p=1 vratneacute napětiacute při teplotě T [K] a standardniacutem tlaku p=1 bar Aktivizačniacute koeficienty vodiacuteku aH2 a kysliacuteku aO2 mohou byacutet ziacuteskaacuteny z poměru tlaku vůči atmosferickeacutemu tlaku aH2=pH2p a aO2=pO2p Daacute se předpoklaacutedat že pH2=pO2=p protože tlak na Urev T p=1 kysliacutekoveacute i vodiacutekoveacute straně je stejnyacute Daacutele aktivita vody je přibližně rovna 1 a tlak p=1 bar pak dojde ke zjednodušeniacute Nernstovi rovnice na tvar

Pro teplotu T=298K napětiacute roste s tlakem podle tabulky 3

U =Urev +ηK +ηA + j sdotR

UrevT p =UrevT p=1 +R sdotTn sdotF

lnaH2 sdot(aO2 )

05

aH2O

UrevT p =UrevT p=1 +3sdotR sdotT4 sdotF

ln p

32

Tlak p [bar] 10 30 50 100 200

Urev T p=1 [mV] 44 65 75 89 102

Tab 3 Zaacutevislost reversibilniacuteho napětiacute na tlaku [7]

Elektrolyzeacuter pracujiacuteciacute při tlaku 10 barů při 155V by potřeboval pouze 1608 V pro praacuteci při 200 barech založeno na teoretickeacute uacutevaze kdy (155 V + (102 mV - 44mV))= 162 V Vysokyacute tlak sice zvyšuje teoretickeacute vratneacute napětiacute pouze o paacuter procent i tak je staacutele vyacutehodneacute ho použiacutet ve skutečnyacutech elektrolyzeacuterech a to z důvodu sniacuteženiacute spotřeby energie a to diacuteky zvyacutešeneacute efektivitě (snižuje pracovniacute napětiacute) a vyššiacute dosažitelneacute proudoveacute hustotě Vysokyacute tlak daacutele redukuje velikost plynovyacutech bublinek na plochaacutech elektrod tiacutem zvyšuje vyacutekon buňky Vyacutehody tak převaacutežiacute lehkeacute zvyacutešeniacute teoretickeacuteho napětiacute Hlavniacutem důvodem pro použitiacute vysokotlakeacuteho procesu elektrolyacutezy je ovšem absence potřeby stlačovaacuteniacute vodiacuteku po jeho produkci a tiacutem paacutedem sniacuteženiacute naacutekladů Elektrolyzeacutery dokaacutežiacute zajistit zvyacutešeniacute tlaku při relativně maleacute potřebě energie Malyacute pokles energetickeacute uacutečinnosti procesu vyvaacutežiacute eliminaci kompresoru při dalšiacutem zpracovaacuteniacute vodiacuteku Vysokyacute tlak kolem 400 barů může způsobit mechanickeacute probleacutemy na elektrolyzeacuteru a tiacutem zvyacutešit investičniacute naacuteklady

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku

Spotřeba energie elektrolytickyacutem člaacutenkem může byacutet určena přiacutemyacutem způsobem z pracovniacuteho napětiacute člaacutenku U a proudoveacute uacutečinnosti φP Počet elektronů e- potřebnyacutech pro ziacuteskaacuteniacute jednoho kilogramu vodiacuteku z vodniacute elektrolyacutezy je bez ohledu na pracovniacute podmiacutenky fixniacute a to 26589 kAh Tato hodnota vychaacuteziacute z faktu že 2 elektrony jsou potřeba k vytvořeniacute jedneacute molekuly vodiacuteku z vody zbylaacute čaacutest je jednoduchaacute konverze jednotek zohledněniacutem molaacuterniacute hmotnosti vodiacuteku

Specifickaacute energie elektrolyzeacuteru K v kWhkg H2 pak může byacutet určena pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

kde U je průměrneacute pracovniacute napětiacute jednoho člaacutenku a φi proudovaacute uacutečinnost Tato rovnice nezohledňuje energii potřebnou ke stlačeniacute vodiacuteku pokud je požadovaacuten tlak vyššiacute než kteryacute je na vyacutestupu z elektrolyzeacuteru Nezahrnuje ani malou čaacutest energie potřebnou k de-ionizaci vody a ke konverzi ze střiacutedaveacuteho na stejnosměrnyacute proud Každopaacutedně rovnice naacutem daacutevaacute dobrou představu o spotřebě energie pro samotnyacute elektrolyzeacuter V tabulce 4 jsou shrnuty zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

2eminus

H2

sdot 1000gH2

2016gH2 molH2

sdot 96487Cmol

sdot 1eminus

sdot 1kA1000C s

sdot 1h3600s

= 26589kAh

K = 26589 sdotUϕi

33

Alkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacuteza El pevneacuteho polymeru

Parniacute el

Technologie Konvenčniacute al el

Moderniacuteal el

Inorganickaacutemembraacutenaal el

Pevnyacutepolymer

Vysoko tep lo tn iacute elektrolyzeacuter

Napětiacute člaacutenku [V] 18 - 22 15 - 25 16 - 19 14 - 20 095 - 13

P r o u d o v aacute hustota[Acm2]

013 - 025 02 - 20 02 - 10 10 - 40 03 - 10

Teplota [degC] 70 - 90 80 - 145 90 - 120 80 - 150 900 - 1000

Tlak [bar] 1 - 2 až do 120 až do 40 až do 400 900 - 1000

Elektrolyt 25 - 35 KOH

25 - 40 KOH

14 - 15KOH

Flurosulfonovaacutekyselina Keramickyacute

Uacute č i n n o s t člaacutenku [] 77 - 80 80 - 90 85 - 95 85 - 98 90 - 99

S p o t ř e b a energie [kWhNm3 H2]

43 - 49 38 - 43 36 - 40 36 - 40 25 - 35

Tab 4 Zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

34

3Metody uskladněniacute vodiacuteku

Z důvodu pokrytiacute denniacutech a sezonniacutech rozdiacutelů mezi dostupnostiacute energie a požadavky na tuto energii musiacute byacutet vodiacutek skladovaacuten Vodiacutek může byacutet skladovaacuten v plynneacute formě kapalneacute formě a takeacute jako hydrid kovu Vodiacutek je velmi lehkyacute plyn s malou hustotou To znamenaacute že maleacute množstviacute vodiacuteku zabiacuteraacute velkyacute objem Ciacutelem tedy je zvyacutešit objemovou hustotu vodiacuteku Klasickeacute oceloveacute vysokotlakeacute oceloveacute naacutedoby jsou plněny až na tlak 200 barů Naacutedoby vyrobeneacute ze zesiacutelenyacutech uhliacutekovyacutech vlaacuteken mohou teoreticky uklaacutedat vodiacutek při tlaku až 600 barů prakticky byl dosažen tlak asi 450 barů Ciacutelem automobiloveacuteho průmyslu je však hodnota 700 barů pro skladovaacuteniacute plynneacuteho vodiacuteku při běžneacutem použiacutevaacuteniacute v automobilech To však požaduje vyacutevoj novyacutech kompozitniacutech materiaacutelů ktereacute odolajiacute vysokeacutemu tlaku a nestanou se při styku s vodiacutekem křehkyacutemi S vyššiacutem tlakem roste hustota ale samotnaacute komprese je velmi komplikovanyacute nebezpečnyacute a drahyacute proces Zvyacutešeniacute hustoty vodiacuteku lze takeacute dosaacutehnout zkapalněniacutem nebo převedeniacutem do pevneacuteho stavu Hustota tekuteacuteho vodiacuteku je cca 708 kgm3 v porovnaacuteniacute s hustotou vodiacuteku v pevneacutem stavu a to 706 kgm3 Kondenzačniacute teplota vodiacuteku je při tlaku 1 bar -252degC z toho vyplyacutevaacute že proces zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je velmi energeticky naacuteročnyacute Tekutyacute vodiacutek se tak použiacutevaacute pokud je nezbytneacute zajistit vysokou hustotu napřiacuteklad pro kosmickeacute aplikace[10] Vodiacutek je takeacute schopen vytvaacuteřet hydridy s některyacutemi kovy Vodiacutek v molekulaacuterniacute podobě je absorbovaacuten do atomoveacute mřiacutežky kovů Objemovaacute hustota takoveacuteho vodiacuteku je pak na uacuterovni vodiacuteku kapalneacuteho ale pokud vezmeme v potaz i samotnou hmotnost kovů pak je hustota mnohem nižšiacute V současneacute době je nejvyššiacute dosažitelnaacute hustota jen přibližně 007 kg H2kg kovu při vysokeacute teplotě Vodiacutek v pevneacutem stavu je nejbezpečnějšiacute cesta jak uskladnit energii zvlaacuteště pro stacionaacuterniacute a mobilniacute aplikace Hlavniacutem probleacutemem pro uskladněniacute vodiacuteku v pevneacutem stavu je samotnaacute vaacuteha naacutedržiacute vysokaacute desorpčniacute energie niacutezkaacute kinetika desorpce dlouhaacute doba nabiacutejeniacute vysokyacute tlak a přenos tepla Vodiacutek může byacutet skladovaacuten jako plyn při vysokyacutech tlaciacutech jako kapalina v kryogenniacutech zaacutesobniacuteciacutech jako plyn chemicky vaacutezanyacute (např v hydridech kovů) Na obraacutezku 14 je uveden objem vodiacuteku a hmotnost celeacuteho zařiacutezeniacute vztaženaacute k zmiacuteněnyacutem způsobům skladovaacuteniacute a daacutele v porovnaacuteniacute s benziacutenem metanolem a uchovaacutevaacuteniacutem energie v bateriiacutech (vztaženeacute na energetickyacute ekvivalent 990 000 Btu (1 044 500 kJ))

35

Obr 14 Objemoveacute a hmotnostniacute porovnaacuteniacute paliv odpoviacutedajiacuteciacutech energetickeacutemu ekvivalentu 990000 Btu [12]

Nejlepšiacute cestou skladovaacuteniacute vodiacuteku je jeho uloženiacute ve formě uhlovodiacutekovyacutech paliv ačkoliv tato varianta vyžaduje dodatečnyacute systeacutem jeho extrahovaacuteniacute Niacutezkaacute hustota vodiacuteku ve formě plynneacute i kapalneacute maacute za naacutesledek takeacute niacutezkou hodnotu hustoty energie Danyacute objem vodiacuteku tedy obsahuje meacuteně energie než stejnyacute objem jinyacutech paliv Proto se napřiacuteklad zvyšuje relativniacute skladovaciacute objem naacutedrže pro dosaženiacute daneacute dopravniacute vzdaacutelenosti Použitiacutem vodiacuteku v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků vyrovnaacutevaacuteme podmiacutenky s ostatniacutemi palivy tiacutem že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vyššiacute oproti uacutečinnosti spalovaciacutech motorů takže bude zapotřebiacute meacuteně paliva a tiacutem i energie k dosaženiacute stejneacuteho energetickeacuteho vyacutesledku [12] Přes niacutezkou objemovou energetickou hustotu disponuje vodiacutek nejvyššiacutem poměrem energie k hmotnosti ze všech paliv Avšak tuto vyacutehodu obvykle zastiňuje velkaacute hmotnost zaacutesobniacuteku a naacutevaznyacutech zařiacutezeniacute Většina zaacutesobniacuteků vodiacuteku je značně rozměrnyacutech a těžkyacutech mnohem viacutec než použiacutevaneacute naacutedrže pro benziacuten

36

či naftu [12] Existujiacute i dalšiacute noveacute metody uskladněniacute vodiacuteku jako aktivovanyacute povrch uhliacuteku pomociacute skleněnyacutech mikrokuliček a komplexů polyhydridů Tyto technologie zvyšujiacute objemovou hustotu skladovaacuteniacute vodiacuteku jsou ovšem staacutele vyviacutejeny a v průmyslu zatiacutem nebyly implementovaacuteny [11]

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu

Měrnaacute akumulačniacute kapacita vodiacuteku v plynneacutem stavu zaacutevisiacute na skladovaciacutem tlaku Při skladovaacuteniacute za normaacutelniacutech podmiacutenek je i přes vysokeacute spalneacute teplo vodiacuteku akumulačniacute kapacita relativně niacutezkaacute a to asi 128 MJm3 Pokud se tlak zvyacutešiacute na 10 MPa akumulačniacute kapacita pak bude 1200 MJm3 [10] Stlačenyacute vodiacutek se uskladňuje v tlakovyacutech lahviacutech podobnyacutech těm ktereacute jsou použiacutevaacuteny pro stlačenyacute zemniacute plyn Většina tlakovyacutech zaacutesobniacuteků maacute vaacutelcovyacute tvar s půlkulovyacutemi vypuklyacutemi dny V současneacute době je snaha budovat zaacutesobniacuteky uspořaacutedaneacute za sebou a deformovat vaacutelcovyacute tvar pro zvětšeniacute užitečneacuteho objemu Otvory ve středu půlkulovyacutech den pak umožňujiacute průtok plynu do tlakoveacute naacutedoby a jsou osazeny regulaacutetory a zaacutekladniacutemi prvky řiacutezeniacute průtoku Jeden osazenyacute koncovyacute prvek působiacute primaacuterně jako uzaviacuteraciacute ventil ačkoli obsahuje i pojistnyacute ventil a může daacutele obsahovat i sniacutemače teploty a tlaku pro měřeniacute veličin stavu plynu v zaacutesobniacuteku Druheacute osazeniacute je pak již složityacutem zařiacutezeniacutem ktereacute se sklaacutedaacute ze solenoidoveacuteho nebo elektromagnetickeacuteho ventilu manuaacutelniacuteho uzaviacuteraciacuteho ventilu jednosměrneacuteho ventilu a tlakoveacuteho pojistneacuteho ventilu [12] Elektromagnetickyacute ventil uzaviacuteraacute zaacutesobniacutek a izoluje naacutedobu v přiacutepadě že zařiacutezeniacute je mimo provoz Odstavovaciacute ventil uzavře průtok plynu ze zaacutesobniacuteku jestliže je průtok přiacuteliš velkyacute (např praskne-li trubka) Manuaacutelniacute uzaviacuteraciacute ventil umožňuje aby obsah zaacutesobniacuteku byl uzavřen nebo vypuštěn manuaacutelně v přiacutepadě poruchy elektromagnetickeacuteho ventilu Jednosměrnyacute ventil umožňuje plněniacute zatiacutemco elektromagnetickyacute ventil je uzavřen Pojistnyacute tlakovyacute ventil (na obou konciacutech vaacutelce) vypouštiacute obsah zaacutesobniacuteku v přiacutepadě kdy je vystaven působeniacute vysokyacutech vnitřniacutech tlaků či vysokyacutech okolniacutech teplot (např vystaveniacute ohni) Termiacutenem bdquovysokotlakyacute plynldquo obvykle označujeme plyn s tlaky vyššiacutemi jak 207 barg (3 000 PSIg) a to v přiacutepadě kdy hovořiacuteme o skladovaacuteniacute plynů

37

Obr 15 Konstrukce laacutehve Typu 3 [12] Tlaky vyššiacute jak 2 barg (30 PSIg) představujiacute dostatečnou hrozbu zraněniacute člověka a proto i o nich můžeme v terminologii hovořit jako o vysokyacutech Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky plynu musiacute byacutet konstruovaacuteny z tlustostěnnyacutech vysokopevnostniacutech materiaacutelů a musiacute byacutet velice trvaleacute Zaacutesobniacuteky jsou klasifikovaacuteny do čtyř typů v zaacutevislosti na použiteacutem konstrukčniacutem materiaacutelu viz tabulka 5 Obecně lze řiacuteci že čiacutem meacuteně použiteacuteho kovu tiacutem menšiacute hmotnost zaacutesobniacuteku Z tohoto důvodu je obvykle u vodiacutekovyacutech aplikaciacute použiacutevaacuten typ 3 na obraacutezku 15 V budoucnu však pravděpodobně ziacuteskaacute vyacutesadniacute postaveniacute typ 4 Specifickaacute hmotnost pak zaacutevisiacute individuaacutelně na vyacuterobě daneacuteho typu Jako referenčniacute objem bereme 35 ft3(100 l) U oceloveacuteho zaacutesobniacuteku typu 1 je hmotnost zaacutesobniacuteku přibližně 100 kg u typu 3 65 kg a v přiacutepadě typu 4 je hmotnost zaacutesobniacuteku cca 30 kg [12]

Typ lahve

Popis Hmotnostikovkompozit

Typ 1 Laacutehev kompletně z oceli a hliniacuteku 1000

Typ 2 Laacutehev s kovovyacutem pruhem z oceli čiacute hliniacuteku a s obručemi z kompozitniacuteho materiaacutelu

5545

Typ 3 Laacutehev zcela zabalenaacute do kompozitniacuteho materiaacutelu s tenkyacutemi vrstvami z oceli či hliniacuteku

2080

Typ 4 Laacutehev zcela zabalenaacute v kompozitniacutem materiaacutelu s plastickyacutemi vrstvami

0100

Tab 5 Klasifikace vysokotlakyacutech lahviacute na vodiacutek

38

Typ 3 ziacuteskaacutevaacute nejviacutece pevnosti z kompozitniacuteho obalu kteryacute je navinut kolem vnitřniacute vložky Kompozit se sklaacutedaacute z vysokopevnostniacutech vlaacuteken (obvykle uhliacutekatyacutech) jež jsou stmelena pryskyřiciacute (např epoxid) viz obraacutezek 15 Kombinace vlaacuteken a pryskyřice použiacutevaneacute pro tyto kompozitniacute zaacutesobniacuteky zaručujiacute extreacutemně vysokou odolnost Povrch kompozitu je meacuteně odolnyacute než povrch kovu a je viacutece naacutechylnyacute k fyzikaacutelniacutemu poškozeniacute (střih abraze naacuteraz atd) či chemickeacutemu poškozeniacute (čpavek kyseliny atd) avšak meacuteně naacutechylnyacute ke korozi Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky obvykle skladujiacute vodiacutek při 250 bar i když se zkoušejiacute zaacutesobniacuteky na provozniacute tlak 350 bar Současnyacute stav technologie jež je čaacutestečně ve stadiu vyacutevoje si dovoluje překračovat v testu roztrženiacute zaacutesobniacuteku hodnoty tlaku 1620 bar u zaacutesobniacuteku Typu 4 pak 700 bar Jakeacutekoliv plyny ktereacute se skladujiacute při těchto vysokyacutech tlaciacutech jsou extreacutemně nebezpečneacute a jsou schopny opouštět zaacutesobniacutek proudem plynu s explozivniacutemi uacutečinky sil nebo uvaacutedět do pohybu maleacute předměty jako projektily Neukotvenyacute zaacutesobniacutek se může změnit v raketu v přiacutepadě kdy plyn naacutehle začne proudit malyacutem otvorem Navzdory potenciaacutelniacutemu nebezpečiacute majiacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky velmi dobryacute stupeň bezpečnosti Provedeniacute zaacutesobniacuteku musiacute odpoviacutedat přiacutesnyacutem standardům a musiacute vydržet různeacute certifikačniacute testy Pro zajiacutemavost nesmiacute selhat během 13000 tlakovyacutech cyklech při 100 servisniacutem tlaku plus 5000 cyklů při 125 servisniacutem tlaku ani při 30 cyklech při 166 servisniacuteho tlaku Daacutele prochaacuteziacute testem na roztrženiacute zaacutesobniacuteku při 225 až 3 naacutesobku servisniacuteho tlaku Tlakovaacute laacutehev musiacute daacutele vydržet paacuted z vyacutešky naacuterazy naacuterazy kyvadlem a musiacute byacutet dokonce odolnaacute při vystaveniacute střelbě [12] Během vyacuteroby je každyacute zaacutesobniacutek vystaven hydrostatickyacutem tlakovyacutem testům a testům na těsnost vybraneacute zaacutesobniacuteky zadaneacute seacuterie jsou zkoušeny cyklickyacutemi a pevnostniacutemi testy uvedenyacutemi vyacutešeZaacutesobniacuteky jsou během vyacuteroby označeny je to jeden z nutnyacutech standardů vyacuteroby seacuteriovyacutem čiacuteslem servisniacutem a provozniacutem jmenovityacutem tlakem a datem zhotoveniacute U zaacutesobniacuteků jež nejsou vystavovaacuteny těžkyacutem externiacutem podmiacutenkaacutem a tlak plynu se pohybuje na jmenoviteacute hodnotě se očekaacutevaacute doba životnosti do 15 let nebo do 11 250 naplněniacute Inspekčniacute testy a testy těsnosti jsou rutinniacute součaacutesti uacutedržby Typickeacute mobilniacute aplikace použiacutevajiacute seacuterii zaacutesobniacuteků upevněnyacutech na společneacute rozvodneacute potrubiacute Při nominaacutelniacutem tlaku 250 bar systeacutem zaacutesobniacuteků vaacutežiacute asi čtyřikraacutet viacutece než srovnatelnyacute systeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute formě a zaujiacutemaacute viacutece než čtyřnaacutesobek prostoru V porovnaacuteniacute s benziacutenem je skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacute formě patnaacutectkraacutet naacuteročnějšiacute prostorově a třiadvacetkraacutet hmotnostně Řešeniacute probleacutemu pak vyžaduje napřiacuteklad pokrytiacute 50 střechy autobusu zaacutesobniacuteky vodiacuteku aby byly nahrazeny staacutevajiacuteciacute naacutedrže nafty Navzdory tomuto objemu je celkovaacute hmotnost vodiacuteku jen 40 až 50 kg a je zanedbatelnaacute v porovnaacuteniacute s hmotnostiacute zaacutesobniacuteků a externiacuteho vybaveniacute Skladovaacuteniacute plynu při ještě většiacutem tlaku daacutevaacute menšiacute skladovaciacute objem ale celkovaacute hmotnost zaacutesobniacuteku se přiacuteliš neměniacute jelikož zaacutesobniacuteky musiacute byacutet robustnějšiacute Současnyacute stav (2012) pro tento typ skladovaacuteniacute je 350 bar a hmotnostniacutem poměru 113 u zaacutesobniacuteku typu 4 Komprese plynu je energeticky naacuteročnyacute proces Čiacutem vyššiacute koncovyacute tlak tiacutem většiacute množstviacute energie je potřeba Avšak přiacuterůstek energie potřebneacute k dosaženiacute vyššiacuteho tlaku klesaacute takže počaacutetečniacute uacutesek zůstaacutevaacute energeticky intenzivnějšiacute čaacutestiacute procesu komprimaceVyvaacuteženiacute přiacuterůstku (snižovaacuteniacute) hustoty plynu při vyššiacutech tlaciacutech se staacutevaacute důležitou ekonomickou otaacutezkou v hospodařeniacute s energiiacute při vyššiacutech uacuterovniacutech komprese Užitečnou cestou k pochopeniacute energetickyacutech naacutekladů

39

na komprimaci je způsob jejich vyjadřovaacuteniacute procentem energie na komprimaci z celkoveacute energie obsaženeacute v zaacutesobniacuteku vodiacuteku Za teacuteto podmiacutenky je přibližnaacute spotřeba 5 z celkoveacute energie laacutetky v zaacutesobniacuteku při komprimaci na 350 bar Přesneacute množstviacute energie je samozřejmě zaacutevisleacute na průtoku a uacutečinnosti použiteacuteho kompresoru Ke skladovaacuteniacute vodiacuteku v podobě stlačeneacuteho plynu se využiacutevajiacute předevšiacutem podzemniacute poreacutezniacute zaacutesobniacuteky kolektory solneacute sloje či skalniacute dutiny Anglie a Francie majiacute dlouhodobou zkušenost na poli podzemniacuteho uskladněniacute vodiacuteku Britskyacute chemickyacute koncern ICI uskladňuje vodiacutek v třikraacutet pročištěneacute solneacute sloji v Teeside Vodiacutek je v teacuteto 366 m hlubokeacute sloji natlakovaacuten na 50 barů Od 1957 do 1974 GAZ DE FRANCE uskladňoval městskyacute plyn s obsahem vodiacuteku 50 v kolektoru s objemem 330 milioacutenů m3 Maleacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky jsou bez vyacutejimky provedeny jako nadzemniacute zařiacutezeniacute pro stlačenyacute plyn V průmysloveacutem sektoru se již vyskytla standardizace typů Vyacutesledkem jsou vaacutelcoviteacute zaacutesobniacuteky s maximaacutelniacutem provozniacutem tlakem 5 MPa a 28 m v průměrech ktereacute jsou k dostaacuteniacute s naacutesledujiacuteciacutemi deacutelkami (či vyacuteškami) 73 m (max obsah při 45 MPa je 1 305 Nm3) 108 m (max obsah 2 205 Nm3) a 19 m (max obsah 4 500 Nm3) V tomto přiacutepadě vyacutepočty pro energetickyacute obsah v hmotnostniacute či objemoveacute jednotce včetně samotneacuteho zaacutesobniacuteku vedou na hodnoty 024 ndash 031 kWhkg respektive 0135 kWhl [12] Podzemniacute zaacutesobniacuteky obdobneacute podzemniacutem zaacutesobniacuteků zemniacuteho plynu (v podzemniacutech kavernaacutech ve vodonosnyacutech vrstvaacutech ve vytěženyacutech ložisciacutech ropy apod) Skladovaacuteniacute vodiacuteku v těchto zaacutesobniacuteciacutech bude ovšem asi 3 x dražšiacute než skladovaacuteniacute zemniacuteho plynu převaacutežně kvůli menšiacute objemoveacute kapacitě vodiacuteku Nevyacutehoda takoveacuteho skladovaacuteniacute jsou ztraacutety ktereacute mohou dosaacutehnout až 3 procent ročně Tento typ uacuteložišť se již využiacutevaacute V Kielu se již od roku 1971 skladuje městskyacute plyn kteryacute obsahuje až 65 vodiacuteku v podzemniacutem zaacutesobniacuteku v hloubce 1330 m o objemu 32 000 m3 a tlaku 8 - 16 MPa [10] Nadzemniacute zaacutesobniacutekoveacute systeacutemy se běžně použiacutevajiacute v průmyslu zemniacuteho plynu v různyacutech rozměrovyacutech a tlakovyacutech uacuterovniacutech Běžneacute tlakoveacute lahve o objemu 50 litrů a tlaku 20 Mpa stacionaacuterniacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky s tlakem 20 MPa i většiacutem velkeacute kuloveacute zaacutesobniacuteky o objemu až 30 000 m3 a tlaku 12 - 16 Mpa Naacuteklady jsou u teacuteto metody dosti vysokeacute (komprese vysokotlakeacute naacutedoby) V přiacutepadě použitiacute v automobilu se tato metoda vykazuje rychlou dobou plněniacute a velkyacutem množstviacutem uskladněneacuteho vodiacuteku (na uacutekor bezpečnosti) Na plnou naacutedobu vodiacuteku vaacutežiacuteciacute okolo 40 kg s 39 kg vodiacuteku je auto schopno ujet až 600 km

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu

Systeacutemy skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute faacutezi překonaacutevajiacute mnoho probleacutemů spojenyacutech s objemem a hmotnostiacute při vysokotlakeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku avšak za cenu potřeby zajištěniacute kryogenniacutech teplot Kapalnyacute vodiacutek může byacutet skladovaacuten pod svyacutem bodem varu ktereacuteho za normaacutelniacutech podmiacutenek dosaacutehne při -252882 degC (20268 K) nebo takeacute bliacuteže podmiacutenek okolniacuteho tlaku v dvoustěnnyacutech super izolovanyacutech naacutedržiacutech neboli bdquodewarechldquo (Dewarovyacutech naacutedobaacutech) Tyto izolace jsou izolacemi vakuovyacutemi [12] Zaacutesobniacuteky tekuteacuteho vodiacuteku nepotřebujiacute vysokotlakeacute naacutedoby a proto nemusiacute byacutet tak robustniacute Vodiacutek nemůže byacutet skladovaacuten v zaacutesobniacuteciacutech neomezeně Všechny zaacutesobniacuteky bez ohledu na kvalitu izolace umožňujiacute transfer tepla mezi zaacutesobniacutekem a okoliacutem Velikost teplotniacute netěsnosti zaacutevisiacute na konstrukci a velikosti zaacutesobniacuteku

40

Tyto přiacutečiny přenosu tepla vedou k odpařovaacuteniacute vodiacuteku a zvyšovaacuteniacute tlaku Stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky kapalneacuteho vodiacuteku jsou stavěny nejčastěji ve formě kuloviteacute jelikož koule nabiacuteziacute nejmenšiacute povrch k daneacutemu objemu a proto nejmenšiacute plochu přestupu tepla [12] Zaacutesobniacuteky majiacute maximaacutelniacute konstrukčniacute přetlak kolem 5 bar v přiacutepadě že odběr vodiacuteku je menšiacute než jeho produkce a vypařovaacuteniacutem roste tlak v zaacutesobniacuteku až do hodnoty kdy je odveden pojistnyacutem ventilem Odplyněniacute sniacuteženiacute přetlaku tiacutemto způsobem neniacute jenom přiacutemou ztraacutetou využitelneacuteho paliva ale v přiacutepadě mobilniacutech jednotek i potenciaacutelniacute nebezpečiacute a to předevšiacutem v budovaacutech a garaacutežiacutech Současneacute automobiloveacute aplikace zaacutesobniacuteku kapalneacuteho vodiacuteku odvaacutedějiacute 1 až 2 za den Vodiacutek může byacutet čerpaacuten ze zaacutesobniacuteku buď jako kapalina nebo jako plyn V přiacutepadě že je použiacutevaacuten v jednotkaacutech s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem může byacutet kapalnyacute vodiacutek vstřikovaacuten přiacutemo do vaacutelce v zaacutevislosti na zvyšujiacuteciacutemsnižujiacuteciacutem se množstviacute spalovaneacuteho paliva a pracovniacutem zdvihu V přiacutepadě použitiacute v palivoveacutem člaacutenku plynnyacute vodiacutek může byacutet odčerpaacutevaacuten při odpoviacutedajiacuteciacutem tlaku pro zaacutesobovaacuteniacute daneacute reakce [12] Ačkoli skladovaacuteniacute kapalneacuteho vodiacuteku eliminuje nebezpečiacute spojenaacute s vysokotlakyacutem skladovaacuteniacutem plynů přinaacutešiacute daacutele nově vlastniacute nebezpečiacute spojenaacute s niacutezkyacutemi teplotami Vaacutežnaacute nebezpečiacute omrzlin existujiacute ve spojeniacute s kapalnyacutem vodiacutekem jeho paacuterami a kontaktniacutemi plochami Uhliacutekataacute ocel vystavenaacute teplotaacutem nižšiacutem -30 degC a to přiacutemo nebo nepřiacutemo se staacutevaacute křehkou a je naacutechylnaacute k lomu Vzduch může kondenzovat na povrchovyacutech plochaacutech ktereacute jsou podchlazeneacute může odkapaacutevat daacutele i na materiaacutely nebezpečneacute z pohledu vzniacuteceniacute požaacuteru nebo vyacutebuchu nebezpečiacute totiž spočiacutevaacute v naacutesledneacutem zvyacutešeniacute koncentrace [12] Zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je vzhledem k dosaacutehnutiacute extreacutemně niacutezkyacutech teplot energeticky velmi naacuteročnyacute intenzivniacute proces Zkapalňovaacuteniacute zahrnuje několik kroků Prvniacutem je komprese vodiacuteku v piacutestoveacutem kompresoru přechlazeniacute stlačeneacuteho plynu na teplotu zkapalněniacute dusiacuteku (-195 degC) naacutesleduje expanze přes turbiacutenu a posledniacutem krokem je katalytickaacute konverze na stabilniacute formu vodiacuteku Ve vyacutesledku je energie potřebnaacute k procesu zkapalněniacute ekvivalentem kteryacute překračuje 40 energetickeacute vztažneacute hodnoty vodiacuteku Kapalnou formu vodiacuteku lze relativně uacutečinně transportovat a lehce použiacutevat Je zřejmeacute že během zkapalňovaacuteniacute se vklaacutedajiacute do energie maximaacutelniacute investice a proto se jeviacute proziacuteraveacute skladovat a použiacutevat vodiacutek přiacutemo jako kapalinu kdykoli je to možneacute V zaacutevislosti na množstviacute zkapalňovaneacuteho vodiacuteku jsou použiacutevaacuteny různeacute zkapalňovaciacute metody Velkaacute zařiacutezeniacute obvykle využiacutevajiacute kombinace naacutesledujiacuteciacutech metod - turbiacutenovaacute Joule-Thomsonova či magnetokalorickaacute metoda Ve všech přiacutepadech je zkapalněniacute dosaženo kompresiacute naacutesledovaneacute určityacutem způsobem expanze buď nevratneacute využitiacutem škrtiacuteciacuteho ventilu či čaacutestečně vratneacute využitiacutem expanzniacuteho stroje Obvykle je použito 6 stupňů tepelneacuteho vyacuteměniacuteku přičemž prvniacute je chlazen tekutyacutem dusiacutekem V předposledniacutem kroku obstaraacutevaacute expanzi Joule-Thomsonův ventil Využitiacute magnetokalorickyacutech metod umožňuje přeměnu ortho-vodiacuteku na para-vodiacutek Po několika krociacutech je dosažen obsah para-vodiacuteku okolo 95 Para-vodiacutek maacute menšiacute energetickyacute obsah než ortho-vodiacutek[12] Způsob uskladněniacute kapalneacuteho vodiacuteku je obvykle proveden pomociacute uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků majiacuteciacutech perlitoveacute podtlakoveacute izolace V USA je mnoho obdobnyacutech zaacutesobniacuteků Největšiacute z nich patřiacute NASA a je situovaacuten na mysu Canaveral Tento zaacutesobniacutek maacute objem přibližně 3 800 m3 (přibližně 270 t LH2) Běžneacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky majiacute objemy od 1 500 l (přibližně 1 100 Nm3) až do 75 000 l

41

(přibližně 60 000 Nm3) V souvislosti s aktivitami tyacutekajiacuteciacutemi se dopravniacutech prostředků na vodiacutek byla v Německu vyvinuta malaacute přenosnaacute uskladňovaciacute zařiacutezeniacute Zaacutesobniacuteky pro automobily (umiacutestěneacute v testovanyacutech dopravniacutech prostředciacutech BMW) a autobusy (umiacutestěneacute v MAN-Bus SL202) jsou v současnosti vyraacuteběneacute pouze v maleacutem počtu Zaacutesobniacuteky pro autobusy se sklaacutedajiacute ze třiacute eliptickyacutech křiacutežiacuteciacutech se zaacutesobniacuteků každyacute o objemu 190 l odpoviacutedajiacuteciacute energetickeacutemu obsahu 450 kWh či 150 Nm3 plynneacuteho vodiacuteku při normaacutelniacutech podmiacutenkaacutech Dosažitelnaacute energetickaacute hustota je 45 kWhkg či 213 kWhl Zaacutesobniacuteky jsou konstruovaacuteny z 200 - 300 vrstev izolačniacutech foacuteliiacute dovolujiacuteciacutech odpařit okolo 1 zkapalněneacuteho plynu za den Nicmeacuteně toto množstviacute narůstaacute při spojeniacute několika zaacutesobniacuteků dohromady vlivem ztraacutet ve spojovaciacutem potrubiacute [12]

Obr 16 120 litrovaacute naacutedrž na tekutyacute vodiacutek firmy Linde [16]

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů

Systeacutemy skladovaacuteniacute v hydridech kovů se zaklaacutedajiacute na principu snadneacute absorpce plynu určityacutemi materiaacutely za podmiacutenek vysokeacuteho tlaku a miacuternyacutech teplot Tyto laacutetky pak uvolňujiacute vodiacutek jako plyn v přiacutepadě kdy jsou zahřiacutevaacuteny při niacutezkyacutech tlaciacutech a relativně vysokyacutech teplotaacutech V podstatě tyto materiaacutely kovy nasaacutevajiacute a uvolňujiacute vodiacutek jako bdquohoubaldquo Vyacutehoda skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů se soustřeďuje na skutečnost že vodiacutek se staacutevaacute součaacutestiacute chemickeacute struktury těchto kovů a proto daacutele neniacute požadovaacuten vysokyacute tlak nebo kryogenniacute teplota pro vlastniacute provoz [12] Vodiacutek se uvolňuje z hydridů pro použitiacute při niacutezkeacutem tlaku hydridy kovů jsou ve sveacute podstatě nejbezpečnějšiacute ze všech systeacutemů skladovaacuteniacute Existuje mnoho typů specifickyacutech hydridů kovů primaacuterně se však staviacute na kovovyacutech slitinaacutech hořčiacuteku niklu železa a titanu Hydridy kovů mohou byacutet rozděleny dle vysoko nebo niacutezkoteplotniacute desorpce vodiacuteku Vysokoteplotniacute hydridy jsou levnějšiacute a jsou schopneacute uchovaacutevat viacutece vodiacuteku než niacutezkoteplotniacute ale vyžadujiacute vyacuteznamně viacutece tepelneacute energie

42

pro uvolněniacute vodiacuteku Niacutezkoteplotniacute hydridy mohou na rozdiacutel od vysokoteplotniacutech hydridů ziacuteskat dostatek tepelneacute energie pro uvolněniacute vodiacuteku z vlastniacute jednotky ktereacute vyžadujiacute externiacute zdroj tepelneacute energie Niacutezkaacute teplota desorpce ve spojeniacute s niacutezkoteplotniacutemi hydridy může byacutet probleacutemem vzhledem k přiacuteliš snadneacutemu uvolňovaacuteniacute plynu za okolniacutech podmiacutenek K překonaacuteniacute těchto probleacutemů musiacute byacutet niacutezkoteplotniacute hydrid kovu pod tlakem čiacutemž vzrůstaacute komplikovanost procesu Typickeacute charakteristiky hydridů kovů jsou shromaacutežděny v tabulce 6

Charakteristika NiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacute VysokoteplotniacuteVysokoteplotniacuteVysokoteplotniacute

T i 2 N i -H25

F e T i -H25

VH-VH2 L a N i 5 -H67

M g C u -H3

M g 2 N i -H4

Mg-H

Množs tv iacute s l i t i ny absorbujiacuteciacute H2 []

161 187 192 155 267 371 825

Množstviacute hydridu s c h o p n eacute h o absorbovat energii jako z 1l benziacutenu [kg]

155 134 130 161 - 675 35

Množstviacute slitiny k akumulaci 25 kg vodiacuteku [kg]

217 188 182 225 - 95 50

Desorpčniacute teplota při tlaku 15 barg [degC]

-3 7 15 21 245 267 296

Doplňovaacuteniacute snadneacute - - těžkeacute - těžkeacute těžkeacute

Tab 6 Charakteristika použiacutevanyacutech hydridů kovu [12]

Hlavniacute nevyacutehodou skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů neniacute jen teplota a tlak nutnyacute pro extrakci vodiacuteku ale i jejich niacutezkaacute hustota energie Dokonce i ty nejlepšiacute hydridy obsahujiacute jen 8 hmotnostniacutech procent vodiacuteku Majiacute proto velkou hmotnost a naviacutec jsou draheacute Systeacutem s hydridem kovu může byacutet až třicetkraacutet těžšiacute a desetkraacutet objemnějšiacute než naacutedrž s benziacutenem stejneacuteho energetickeacuteho obsahu Dalšiacute nevyacutehodou systeacutemů na baacutezi hydridu kovu je nutnost použiacutevat jen velmi čistyacute vodiacutek jinak dojde ke kontaminaci hydridu s naacuteslednou ztraacutetou kapacity Kysliacutek a voda jsou prvotniacutemi činiteli jelikož se chemicky adsorbujiacute na povrch kovů a nahrazujiacute potenciaacutel vodiacutekovyacutech vazeb Sniacuteženiacute kapacity kontaminaciacute může byacutet do určiteacute miacutery reaktivovaacuteno teplem Dalšiacute probleacutemy spojeneacute s hydridy kovů souvisiacute s jejich strukturou Typickeacute provedeniacute se naleacutezaacute ve formě zrniteacute granulovaneacute nebo praacuteškoveacute struktury kteraacute tak poskytuje co největšiacute plochu pro kontakt s plynem Tyto čaacutestice jsou naacutechylneacute na abrazi jež u obojiacuteho vede k redukci jejich efektivity a může veacutest k ucpaacuteniacute profilu přepouštěciacutech ventilů nebo trubek Žaacutednyacute specifickyacute materiaacutel nemaacute vynikajiacuteciacute vlastnosti ve všech požadovanyacutech směrech (vysokaacute kapacita absorpce vysokaacute hustota energie malaacute potřeba tepla a niacutezkeacute naacuteklady) Z tohoto důvodu se použiacutevaacute směs různyacutech vysoko a niacutezkoteplotniacutech hydridů kdy se vyrovnaacutevajiacute vyacutehody a nevyacutehody různyacutech typů při různyacutech podmiacutenkaacutech provozu [12]

43

Obr 17 Vlastnosti vybranyacutech hydridů [8]

331 Hydridy alkalickyacutech zemin

Noveacute variace hydridů ktereacute nabiacutezejiacute vyacutehodnějšiacute vlastnosti oproti předchoziacutem metodaacutem se tyacutekajiacute peletizovanyacutech sodiacutekovyacutech drasliacutekovyacutech a lithnyacutech složek Tyto složky hydridů reagujiacute s vodou za vyacutevinu vodiacuteku bez nutnosti dodaacutevaacuteniacute tepelneacute energie Nejpokročilejšiacute komerčně vyviacutejenyacute systeacutem vyžaduje použitiacute hydroxidu sodneacuteho jenž je hojně k dispozici jakožto odpadniacute materiaacutel z průmysloveacute vyacuteroby papiacuteru plastu z ropneacuteho průmyslu a jinyacutech Hydroxid sodnyacute je převeden na hydrid sodnyacute(NaH) za přiacutevodu tepla naacutesledovně

2NaOH + tepenerrarr 2NaH +O2

NaH potom může byacutet peletizovaacuten tyto pelety se pokryacutevajiacute vodě-odolnyacutem plastem nebo povlakem Sodiacutek se tak staacutevaacute neaktivniacutem a lze ho potom jednoduše transportovat Pro uvolněniacute vodiacuteku je ochrannyacute povlak rozrušovaacuten a naacutesleduje reakce s vodou

NaH (s)+ H2O(l)rarr NaOH (l)+ H2 (g) Tato reakce probiacutehaacute poměrně rapidně a vodiacutek z teacuteto reakce maacute tlak kolem 8-10 bar Hydroxid sodnyacute lze ziacuteskat zpět a může byacutet opětovně použiacutevaacuten v procesu Vyacutehoda tohoto uchovaacutevaacuteniacute vodiacuteku oproti ostatniacutem hydridům je absence potřeby tepla pro uvolněniacute vodiacuteku Tento proces je relativně jednoduchyacute a z toho plyne i jednoduššiacute konstrukce takoveacuteho procesniacuteho zařiacutezeniacute Nevyacutehodou tohoto procesu jsou komplikace spojeneacute s mechanickyacutem rozrušovaacuteniacutem pelet kontrolovanyacutem způsobem a naacutesledneacute využitiacute odpadniacutech materiaacutelů kteryacute obklopuje odpadniacute hydroxid sodnyacute a použiteacute plastoveacute obaly pelet Proces využiacutevajiacuteciacute kombinaci generovaacuteniacute vodiacuteku a skladovaacuteniacute pro jednoraacutezoveacute použitiacute Stejně jako u elektrolyacutezy je vodiacutek

44

v hydridu sodneacutem nositel energie ne však jejiacute zdroj Hydroxid sodnyacute se nachaacuteziacute v niacutezkeacutem energetickeacutem stavu a musiacute byacutet přenesen do vyššiacuteho stavu pomociacute dodaacuteniacute tepelneacute energie

34 Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku

V současnosti se se zkoumajiacute dalšiacute skladovaciacute metody vodiacuteku jako je adsorpce na uhliacutekovyacutech poreacutezniacutech strukturaacutech skleněneacute mikrosfeacuterya oxidačniacute technologie železa Tyto metody jsou použiacutevaacuteny pouze laboratorněa jejich nasazeniacute do komerčniacute sfeacutery ještě nelze v bliacutezkeacute budoucnosti očekaacutevat

341 Uhliacutekovaacute adsorpce

Uhliacutekovaacute adsorpce je založena na slučitelnosti uhliacuteku a vodiacutekovyacutech atomů Vodiacutek je čerpaacuten do kontejnerů se substraacutetem malyacutech karbonovyacutech čaacutestic kde je vaacutezaacuten molekulaacuterniacutemi silami Tato metoda silně připomiacutenaacute metodu skladovaacuteniacute v hydridech kovů je ovšem zdokonalena v oblasti niacutezkyacutech teplot kde se uvažuje rozdiacutel mezi tekutyacutem vodiacutekem a chemickou vazbou Uhliacutek adsorbuje při teplotaacutech -185 až -85 degC a tlaciacutech 21 až 48 bar Velikost adsorpce uhliacutekem se zvyšuje s nižšiacutemi teplotami Teplo při překročeniacute teplotniacute hranice 150degC uvolňuje vodiacutek

342 Technologie uhliacutekovyacutech nanovlaacuteken

Laboratorniacute vyacutesledky ukazujiacute tuto metodu jako velmi nadějnou pro budouciacute použitiacute Vodiacutek uskladněnyacute ve sloučenině může dosaacutehnout až 70 celkoveacute vaacutehy sloučeniny Typickeacute hydridy kovů jsou schopny přijmout 2-4 vaacutehy sloučeninyv hmotnostně těžkeacute struktuře Pokud by tyto vyacutesledky byly reaacutelně prokaacutezaacuteny potom vozidla použiacutevajiacuteciacute vodiacutekoveacute palivoveacute člaacutenky budou schopny ujet až 5000 km bez potřeby doplněniacute paliva Tiacutem by se vyřešil probleacutem chybějiacuteciacute infrastruktury distribuce vodiacuteku Takoveacute palivo by se mohlo skladovat ve skladištiacutech nebo posiacutelat prostřednictviacutem přepravniacutech služeb

343 Skleněneacute mikrosfeacutery Systeacutemy skleněnyacutech mikrosfeacuter použiacutevajiacute maleacute skleněneacute sfeacutery (kuličky)s průměrem menšiacutem než 100 microm jež jsou schopny odolat tlakům až 1 000 MPa Vodiacutek je do nich nuceně vhaacuteněn velmi vysokyacutemi tlaky Jakmile je vodiacutek uskladněn kuličky je možno ponechat v podmiacutenkaacutech okolniacuteho prostřediacute bez ztraacutet vodiacuteku Přivedeniacute nevelkeacuteho množstviacute tepelneacute energie se uvolňuje vodiacutek zpět Pro zajištěniacute zvyacutešeniacute rychlosti uvolňovaacuteniacute vodiacuteku ze skleněnyacutech mikrosfeacuter se provaacutediacute experimenty i formou drceniacute kuliček [12]

344 Oxidace železa

Oxidace železa je proces při ktereacutem se vodiacutek vytvaacuteřiacute reakciacute poacuteroviteacuteho železa (surovaacute ingredience pro ocelaacuteřskeacute pece) s vodniacute paacuterou Reakce potom lze popsat naacutesledujiacuteciacutem rovnicemi

Fe+ H2Oharr FeO + H2

45

3FeO + H2Oharr Fe3O4 + H2

Vedlejšiacutem produktem tohoto procesu je rez Jakmile železo plně zkoroduje je potřeba ho vyměnit za noveacute Produkty reakce jsou přeměněny na původniacute formu Paacuteru a tepelnou energii potřebnou pro průběh reakce lze ziacuteskaacutevat pomociacute spalovaciacute jednotky nebo v přiacutepadě palivovyacutech člaacutenků z jejich chladiacuteciacuteho okruhu (meacutedia) Ačkoliv je ocel levnaacute jejiacute hmotnost činiacute tuto metodu nevyacutehodnou Efektivniacute hmotnost paliva vůči celkoveacute hmotnosti systeacutemu uskladněniacute je 45 Vlastniacute reakce probiacutehaacute při teplotě 80 - 200 degC

46

4Palivoveacute člaacutenky

Za objevitele principu palivoveacuteho člaacutenku je považovaacuten Sir William Grove přičemž datum objevu se datuje do roku 1839 Během konce 19 a počaacutetku 20 stoletiacute se vědci pokoušeli objevit noveacute typy palivovyacutech člaacutenků kombinujiacutece přitom různaacute paliva a elektrolyty Avšak většinou bezvyacutesledně Rozvoj v teacuteto oblasti nastal až kolem poloviny 20 stoletiacute v důsledku snah najiacutet alternativniacute zdroje pro vesmiacuterneacute lety Gemini a Apollo Ale i tyto pokusy byly zpočaacutetku neuacutespěšneacute Až roku 1959 předvedl Francis T Bacon prvniacute plně fungujiacuteciacute palivovyacute člaacutenek Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (PEM FC ndash Proton Exchange Membrane Fuel Cells) byly poprveacute použity společnostiacute NASA v roce 1960 jako součaacutest vesmiacuterneacuteho programu Gemini Tyto palivoveacute člaacutenky využiacutevaly jako reakčniacute plyny čistyacute kysliacutek a čistyacute vodiacutek Byly maleacute a draheacute (a tedy komerčně neefektivniacute) Zaacutejem NASA stejně jako energetickaacute krize v roce 1973 zvyacutešili zaacutejem o alternativniacute druhy ziacuteskaacutevaacuteniacute energie a tiacutem došlo k překotneacutemu vyacutevoji v oblasti palivovyacutech člaacutenků Předevšiacutem diacuteky tomuto tlaku našly tyto člaacutenky uacutespěšneacute uplatněniacute v různorodyacutech aplikaciacutech

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků Palivoveacute člaacutenky zpracovaacutevajiacute pouze čistyacute vodiacutek Teoreticky pracujiacute bez škodlivyacutech laacutetek Produktem reakce jsou kromě elektrickeacute energie takeacute vodaa teplo V přiacutepadě že palivoveacute člaacutenky využiacutevajiacute plynnou reformačniacute směs bohatou na vodiacutek vznikajiacute škodliveacute zplodiny avšak těchto zplodin je meacuteně než těch ktereacute vznikajiacute v přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem využiacutevajiacuteciacutech jako zdroj energie konvenčniacute fosilniacute paliva Motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem ktereacute spalujiacute směsi chudeacute na vodiacutek a vzduch jsou rovněž schopneacute dosaacutehnout niacutezkeacute hladiny škodlivin avšak u těchto strojů dochaacuteziacute současně ke spalovaacuteniacute mazaciacuteho oleje což maacute za naacutesledek naacuterůst škodlivyacutech emisiacute Palivoveacute člaacutenky pracujiacute s vyššiacute termodynamickou uacutečinnostiacute než tepelneacute motory Tepelneacute motory přeměňujiacute chemickou energii na teplo prostřednictviacutem spalovaacuteniacute a využiacutevajiacute toho že teplo konaacute praacuteci Se zvyacutešeniacutem teploty horkeacuteho plynu vstupujiacuteciacuteho do motoru a se sniacuteženiacutem teploty chladneacuteho plynu po expanzi se zvyacutešiacute i termodynamickaacute uacutečinnost Teoreticky lze tedy navyacutešit horniacute teplotu libovolnyacutem množstviacutem tepla dle požadovaneacute termodynamickeacute uacutečinnosti zatiacutemco dolniacute hranice teploty nemůže nikdy klesnout pod teplotu okoliacute Avšak ve skutečnyacutech tepelnyacutech motorech je horniacute teplota limitovaacutena použityacutemi materiaacutely Kromě toho motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem majiacute vstupniacute teplotu rovnu pracovniacute teplotě kteraacute je mnohem nižšiacute než teplota vzplanutiacute Palivoveacute člaacutenky nepoužiacutevajiacute proces spalovaacuteniacute jejich uacutečinnost neniacute spjata s jejich maximaacutelniacute provozniacute teplotou Vyacutesledkem je že uacutečinnost přeměny energie může byacutet vyacuterazně většiacute než skutečnaacute reakce spalovaacuteniacute Kromě vyššiacute relativniacute tepelneacute uacutečinnosti palivoveacute člaacutenky vykazujiacute takeacute vyššiacute uacutečinnost oproti tepelnyacutem motorům při jejich čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky nevykazujiacute ostreacute propady v uacutečinnosti jak je tomu v přiacutepadě velkyacutech elektraacuteren Tepelneacute motory dosahujiacute nejvyššiacute uacutečinnosti při praacuteci v navrhovaneacutem provozniacutem stavu a vykazujiacute rapidniacute poklesy uacutečinnosti při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky majiacute vyššiacute uacutečinnost při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute než při zatiacuteženiacute plneacutem Takeacute změny uacutečinnosti jsou v celeacutem provozniacutem rozsahu menšiacute Palivoveacute člaacutenky vykazujiacute dobreacute dynamickeacute charakteristiky Stejně jako baterie jsou takeacute palivoveacute člaacutenky pevnaacute statickaacute zařiacutezeniacute kteraacute reagujiacute na změny v elektrickeacute

47

zaacutetěži okamžitě změnami chemickyacutemi Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute na čistyacute vodiacutek majiacute vynikajiacuteciacute celkovou odezvu Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute s reformaacutetem (nejčastěji palivo na baacutezi uhlovodiacuteků) a využiacutevajiacute palubniacute reformer mohou miacutet tuto odezvu pomalou zvlaacuteště při použitiacute techniky parniacuteho reformingu (metoda zpracovaacuteniacute reformaacutetu nejčastěji za vzniku vodiacuteku a oxidů uhliacuteku) V přiacutepadě použitiacute palivovyacutech člaacutenků jako generaacutetorů elektrickeacute energie vyžadujiacute tyto člaacutenky meacuteně energetickyacutech přeměn než tepelneacute motory Jestliže budou použity jako zdroje mechanickeacute energie potom požadujiacute stejneacute množstviacute přeměn ačkoliv jednotliveacute transformace se odlišujiacute od těch jež probiacutehajiacute v přiacutepadě tepelnyacutech motorů Palivoveacute člaacutenky jsou vhodneacute pro mobilniacute aplikace pracujiacuteciacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech (typickeacute jsou teploty nižšiacute než 100 degC) Provoz při nižšiacutech teplotaacutech se vyznačuje většiacute bezpečnostiacute a kraacutetkyacutem zahřiacutevaciacutem časem Naviacutec termodynamickaacute uacutečinnost elektrochemickeacute reakce je podstatně vyššiacute než uacutečinnost přeměny energie chemickyacutech vazeb na energii elektrickou pomociacute tepelnyacutech motorů Nevyacutehodou se však jeviacute obtiacutežnyacute odvod odpadniacuteho tepla kteryacute musiacute byacutet zajištěn většiacutem chladiacuteciacutem systeacutemem a i přes vysokeacute provozniacute teploty pomalyacute proces elektrochemickeacute reakce Palivoveacute člaacutenky mohou byacutet použity v kogeneračniacutech aplikaciacutech Kromě elektrickeacute energie produkujiacute palivoveacute člaacutenky takeacute čistou horkou vodu a teplo Palivoveacute člaacutenky nevyžadujiacute dobiacutejeniacute avšak musiacute mu byacutet dodaacutevaacuteno palivo což je ovšem mnohem rychlejšiacute než dobiacutejeniacute bateriiacute Mohou takeacute poskytovat většiacute rozsah (delšiacute doba poskytovaacuteniacute elektrickeacute energie) v zaacutevislosti na velikost naacutedrže s palivem a oxidantem Palivoveacute člaacutenky majiacute niacutezkeacute opotřebeniacute a vysokou životnost (někteřiacute vyacuterobci udaacutevajiacute až desetitisiacutece hodin) Nejsou přiacutetomny pohybliveacute čaacutesti z čehož vyplyacutevaacute tichyacute chod palivovyacutech člaacutenků a schopnost snaacutešet i značnaacute přetiacuteženiacute Proti klasickyacutem elektrochem akumulaacutetorům použiacutevanyacutem v současnyacutech elektromobilech majiacute palivoveacute člaacutenky vyššiacute dojezdovou vzdaacutelenost Vyřazeneacute palivoveacute člaacutenky na rozdiacutel od akumulaacutetorů nezatěžujiacute životniacute prostřediacute těžkyacutemi kovy

42 Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků

Vodiacutek kteryacute je ekologicky prospěšnyacute se velmi obtiacutežně vyraacutebiacute a uskladňuje Současneacute vyacuterobniacute procesy jsou draheacute a energeticky naacuteročneacute naviacutec často vychaacutezejiacute z fosilniacutech paliv Efektivniacute infrastruktura dodaacutevky vodiacuteku nebyla ještě ani vytvořena Systeacutemy uskladňujiacuteciacute plynnyacute vodiacutek se vyznačujiacute obrovskyacutemi rozměry a obtiacutežnyacutem přizpůsobeniacutem energeticky niacutezkeacute objemoveacute hustotě vodiacuteku Systeacutemy uskladňujiacuteciacute tekutyacute vodiacutek jsou mnohem menšiacute a lehčiacute ovšem musiacute byacutet provozovaacuteny za kryogenniacutech teplot Možnost představuje takeacute uskladněniacute vodiacuteku pomociacute uhlovodiacuteků a alkoholů odkud může byacutet uvolňovaacuten dle požadavku diacuteky palubniacutemu reformeru Je pravdou že toto uskladněniacute manipulaci s vodiacutekem zjednodušiacute avšak některeacute ekologickeacute vyacutehody budou nenaacutevratně ztraceny (praacutevě diacuteky využitiacute uhlovodiacuteků či alkoholů a s tiacutem souvisejiacuteciacute emise COx) Palivoveacute člaacutenky požadujiacute čisteacute palivo bez specifickyacutech znečišťujiacuteciacutech laacutetek Tyto laacutetky jako jsou siacutera a uhliacutekoveacute sloučeniny či zbytkovaacute tekutaacute paliva (v zaacutevislosti na typu palivoveacuteho člaacutenku) mohou poškodit katalyzaacutetor palivoveacuteho člaacutenku čiacutemž přestaacutevaacute samotnyacute člaacutenek fungovat V přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem nezpomaluje ani jedna z těchto škodlivyacutech laacutetek samotnyacute proces spalovaacuteniacute

48

Palivoveacute člaacutenky se hodiacute pro automobiloveacute aplikace Ty jsou typickeacute svyacutem požadavkem platinoveacuteho katalyzaacutetoru pro podporu reakce při ktereacute se vyraacutebiacute elektrickaacute energie Platina je vzaacutecnyacute kov a je velmi drahaacute Za diacutelčiacute nevyacutehody lze poklaacutedat i skutečnost že vyacutekon odebiacuteranyacute z 1 cm2 elektrod je zatiacutem niacutezkyacute Palivoveacute člaacutenky produkujiacute v průběhu vyacuteroby elektrickeacute energie čistou vodu Většina palivovyacutech člaacutenků vhodnyacutech pro automobiloveacute aplikace takeacute využiacutevaacute jako reaktanty vlhkeacute plyny I nepatrnaacute zbytkovaacute voda v palivoveacutem člaacutenku může přitom způsobit nevratnou zničujiacuteciacute expanzi v přiacutepadě vystaveniacute mrazu Při provozu vyraacutebějiacute palivoveacute člaacutenky dostatečneacute teplo zabraňujiacuteciacute mrznutiacute při okolniacutech teplotaacutech pod bodem mrazu V přiacutepadě že jsou za mraziveacuteho počasiacute palivoveacute člaacutenky vypnuty musiacute byacutet trvale vyhřiacutevaacuteny či z nich musiacute byacutet kompletně odstraněna zbytkovaacute voda před tiacutem než člaacutenek zmrzne Z tohoto důvodu musiacute byacutet dopravniacute prostředek převezen do zahřiacutevaciacuteho zařiacutezeniacute nebo je nezbytně nutneacute instalovat v jeho bliacutezkosti horkovzdušneacute ohřiacutevaciacute zařiacutezeniacute Palivoveacute člaacutenky vyžadujiacute kontinuaacutelniacute odstraňovaniacute zplodin chemickyacutech reakciacute jejichž množstviacute zaacutevisiacute na velikosti odebiacuteraneacuteho proudu (odčerpaacutevaacuteniacute vody vodniacute paacutery či produktů oxidace) vyžadujiacute takeacute složiteacute řiacutediacuteciacute systeacutemy a uvedeniacute do provozu může trvat několik minut

43 Princip funkce palivovyacutech člaacutenků

Palivovyacute člaacutenek je ve sveacute podstatě zařiacutezeniacute ktereacute produkuje elektřinu po celou dobu kdy je mu dodaacutevaacuteno palivo V palivoveacutem člaacutenku dochaacuteziacute ke transformaci uloženeacute chemickeacute energie paliva do elektrickeacute energie Rozdiacutel mezi spalovaciacutem motorem a palivovyacutem člaacutenkem je daacuten rozdiacutelnyacutem způsobem přeměny energie Ve spalovaciacutem motoru dochaacuteziacute ke spaacuteleniacute paliva naacutesledneacutemu uvolněniacute tepla Teplo je daacutele přeměněno na mechanickou energii a teprve mechanickaacute energie je přeměněna na energii elektrickou Každaacute přeměna v tomto cyklu maacute za naacutesledek určitou ztraacutetu energie V kontrastu s tiacutemto cyklem palivoveacute člaacutenky fungujiacute velmi jednoduše a efektivně K produkci elektřiny dochaacuteziacute pomociacute chemickeacute reakce V jednoducheacutem palivoveacutem člaacutenku probiacutehajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 rarr 2H + + 2eminus

12O2 + 2H

+ + 2eminus rarr H2O

Protony prochaacuteziacute elektrolytem a na katodě se spojiacute s kysliacutekem nejčastěji vzdušnyacutem a utvořiacute tak vodu Elektrony jsou směrovaacuteny externiacutem okruhem kde vytvaacuteřejiacute stejnosměrneacute proud Tyto zařiacutezeniacute mohou dosaacutehnout uacutečinnost až 40 Palivoveacute člaacutenky jsou schopny pracovat nejen s čistyacutem vodiacutekem ale takeacute s reformovanyacutemi palivy jako je metan jelikož v nich neniacute oxid uhličityacute Vyacutekon systeacutemu palivovyacutech člaacutenků může byacutet popsaacuten zaacutevislostiacute proudu a napětiacute Je prezentovaacuten ve formě grafu nazvanyacutem proud-napěťovaacute křivka Vyacutestupniacute napětiacute je funkciacute proudu normalizovaneacute plochou člaacutenku udaacutevajiacuteciacute proudovou hustotu Ideaacutelniacute palivovyacute člaacutenek by dodal jakeacutekoliv množstviacute proudu při udrženiacute konstantniacuteho napětiacute určeneacuteho termodynamikou procesu V opravdoveacutem světě je skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute nižšiacute než termodynamicky určeneacute napětiacute ideaacutelniacute tento rozdiacutel je způsoben nevyhnutelnyacutemi ztraacutetami v systeacutemu Ztraacutety jsou kompenzovaacuteny dodaniacutem vyššiacuteho proudu palivovyacutem člaacutenkem

49

Čiacutem většiacute množstviacute proudu je potřeba ziacuteskat z palivovyacutech člaacutenků tiacutem většiacute jsou nevratneacute ztraacutety způsobujiacuteciacute pokles vyacutestupniacuteho napětiacute Existujiacute 3 hlavniacute typy ztraacutet v palivovyacutech člaacutenciacutech

1 Aktivačniacute ztraacutety - v důsledku elektrochemickeacute reakce2 Odporoveacute ztraacutety - v důsledku iontoveacuteho a elektronoveacuteho vedeniacute3 Koncentračniacute ztraacutety - v důsledku pohybu hmoty

Vyacutestupniacute napětiacute je tedy funkciacute termodynamicky předpoklaacutedaneacuteho napětiacute a jednotlivyacutech zraacutet a může byacutet vyjaacutedřeno naacutesledovně

V = Ethermo minusηakt minusηodp minusηkonc

kde V - skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute Ethermo - termodynamicky určeneacute napětiacute ηakt - aktivačniacute ztraacutety ηodp - odporoveacute ztraacutety ηkonc - koncentračniacute ztraacutety Vyacutekon palivoveacuteho člaacutenku je pak určen podle vztahu

P = i sdotVkde P - vyacutekon [W] i - proudovaacute hustota [Acm2] V - napětiacute [V] Dalšiacute charakteristikou palivoveacuteho člaacutenku je křivka vyacutekonoveacute hustoty kteraacute ukazuje vyacutekonovou hustotu dodanou palivovyacutem člaacutenkem jako funkci proudoveacute hustoty Schematicky je tato zaacutevislost znaacutezorněna na obraacutezku 18

Obr 18 Křivka vyacutekonoveacute hustoty [8]

Vyacutekonovaacute hustota palivoveacuteho člaacutenku roste s rostouciacute proudovou hustotou dosaacutehne maxima a poteacute dochaacuteziacute k poklesu při staacutele vysokeacute proudoveacute hustotě Palivoveacute člaacutenky jsou navrhovaacuteny pro praacuteci v nebo těsně pod maximem vyacutekonoveacute hustoty Při proudoveacute hustotě pod maximem vyacutekonoveacute hustoty se zlepšuje uacutečinnost

50

napětiacute ale klesaacute vyacutekonovaacute hustota Při proudoveacute hustotě vyššiacute než je maximum vyacutekonoveacute hustotě klesaacute uacutečinnost napětiacute a vyacutekonovaacute hustota Potenciaacutel systeacutemu vykonaacutevat elektrickou praacuteci je měřen pomociacute napětiacute normaacutelniacuteho stavu vratneacuteho napětiacute je

E0 = minus Δgrxn0

n sdotFkde Δg0rxn je změna Gibssovy volneacute energie n počet molů přenesenyacutech elektronů F Faradayova konstanta Při standardniacutech podmiacutenkaacutech je maximaacutelniacute napětiacute ziacuteskaneacute pro vodiacuteko-kysliacutekoveacute palivo rovnu 123 V Pro ziacuteskaacuteniacute použitelneacuteho napětiacute jsou tak palivoveacute člaacutenky spojovaacuteny do seacuteriiacute Vratneacute napětiacute palivoveacuteho člaacutenku vysoce na provozniacutech podmiacutenkaacutech jako je teplota tlak a chemickaacute aktivita Korelace napětiacute a teploty je reprezentovaacutena naacutesledujiacuteciacute rovniciacute

dEdT

= Δsn sdotF

kde Δs je změna entropie pro palivoveacute člaacutenky je entropie negativniacute vratneacute napětiacute maacute potom tendenci klesat s rostouciacute teplotou Napětiacute se měniacute se změnou tlaku podle vztahu

dEdp

= minus Δvn sdotF

kde Δv je změna objemu Změna vratneacuteho napětiacute s tlakem je spojena se změnou objemu reakce Pokud je změna objemu reakce zaacutepornaacute potom napětiacute roste s rostouciacutem tlakem Tlak a teplota majiacute minimaacutelniacute vliv na vratneacute napětiacute Chemickaacute aktivita maacute vyacuteznamnějšiacute vliv kteryacute se daacute určit pomociacute Nernstovi rovnice

E = E0 minus R sdotTn sdotF

lnaprodviprodareakviprod

Nernstova rovnice uvaacutediacute vztah mezi ideaacutelniacutem standardniacutem potenciaacutelem E0

pro reakci ve člaacutenku ideaacutelniacute rovnovaacutehou potenciaacutelu E při jinyacutech teplotaacutech a parciaacutelniacutem tlaku reaktantů a produktu Jakmile je znaacutem ideaacutelniacute standardniacute potenciaacutel lze určit i ideaacutelniacute napětiacute pro různeacute teploty a tlaky podle Nernstovi rovnice Z teacuteto rovnice pro vodiacutekovou reakci plyne že ideaacutelniacute potenciaacutel člaacutenku při daneacute teplotě může byacutet zvyacutešen pomociacute provozu za vyššiacuteho tlaku reaktantů Nernstova rovnice plně nevysvětluje vliv teploty

44 Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků

Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je funkce napětiacute člaacutenku Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je

ε termo =ΔGΔH

kde ΔG je Gibbsova volnaacute energie ΔH je entalpie Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku určena z tohoto vztahu se rovnaacute 83 Skutečneacute napětiacute při provozu palivoveacuteho člaacutenku je menšiacute než reversibilniacute potenciaacutel to maacute za naacutesledek že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vždy nižšiacute než teoretickaacute Tento jev je způsoben ztraacutetami při využitiacute paliva a ztraacutetami napětiacute Skutečnou uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku můžeme určit ze vztahu

51

ε skut = ε termo sdotεnapeti sdotε palivo

kde εtermo je reversibilniacute termodynamickaacute uacutečinnost člaacutenku εnapeti je uacutečinnost napětiacute a εpalivo ztraacutety při utilizaci paliva Uacutečinnost napětiacute zahrnuje ztraacutety způsobeny nevratnyacutem kinetickyacutem efektem v palivoveacutem člaacutenku Je to poměr mezi provozniacutem napětiacute palivoveacuteho člaacutenku V a termodynamickeacuteho reversibilniacuteho napětiacute člaacutenku E

εnapeti =VE

Uacutečinnost utilizace paliva vyjadřuje fakt že ne všechno palivo dodaneacute do člaacutenku se bude podiacutelet na elektrochemickeacute reakci Uacutečinnost je poměr paliva použiteacuteho na produkci daneacuteho množstviacute elektrickeacute energie ku celkoveacutemu množstviacute paliva dodaneacuteho do palivoveacuteho člaacutenku kde i je proud generovaacuten palivovyacutem člaacutenkem a vpalivo je rychlost dodaacutevaacuteniacute paliva do člaacutenku [molsec]

ε palivo =i n sdotFvpalivo

Kombinaciacute vztahů pro jednotliveacute uacutečinnosti dostaneme naacutesledujiacuteciacute vztah pro skutečnou uacutečinnost člaacutenku

ε skut =Δg

ΔhHHVsdotVEsdot i n sdotFvpalivo

Na obraacutezku 19 je porovnaacuteniacute uacutečinnostiacute jednotlivyacutech metod vyacuteroby elektrickeacute energie Z obraacutezku je jasně patrneacute že celkovaacute uacutečinnost palivovyacutech člaacutenku převyšuje ostatniacute způsoby vyacuteroby elektrickeacute energie

Obr 19 Uacutečinnost vyacuteroby elektrickeacute energie [8]

52

45Typy palivovyacutech člaacutenků

Jednotliveacute typy palivovyacutech člaacutenků se lišiacute předevšiacutem typem použiteacuteho elektrolytu Typ elektrolytu určuje provozniacute teplotu jež se pro různeacute typy palivovyacutech člaacutenků vyacuterazně lišiacute

451 Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech vyššiacutech než 600 degC (1100degF) Tyto vysokeacute teploty umožňujiacute samovolnyacute vnitřniacute reforming lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv jako je metan ndash na vodiacutek a uhliacutek za přiacutetomnosti vody Reakce probiacutehajiacuteciacute na anodě za podpory nikloveacuteho katalyzaacutetoru poskytuje dostatek tepla požadovaneacuteho pro proces parniacuteho reformingu Vnitřniacute reforming odstraňuje potřebu samostatneacuteho zařiacutezeniacute na zpracovaacuteniacute paliva a umožňuje palivoveacutemu člaacutenku zpracovaacutevat i jinaacute paliva než čistyacute vodiacutek Tyto vyacuteznamneacute vyacutehody vedou k naacuterůstu celkoveacute uacutečinnosti teacuteměř o 15 Během naacutesledujiacuteciacute elektrochemickeacute reakce je uvolňovaacutena chemickaacute energie kterou palivovyacute člaacutenek zpracovaacutevaacute Tato chemickaacute energie pochaacuteziacute z reakce mezi vodiacutekem a kysliacutekem při ktereacute vznikaacute voda Z reakce mezi oxidem uhelnatyacutem a kysliacutekem jejiacutemž produktem je oxid uhličityacute Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky produkujiacute takeacute vysokopotenciaacutelniacute odpadniacute teplo jež může byacutet použito pro uacutečely kogenerace Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky reagujiacute velmi snadno a bez potřeby drahyacutech katalyzaacutetorů z ušlechtilyacutech kovů Množstviacute energie uvolněneacute elektrochemickou reakciacute klesaacute s rostouciacute provozniacute teplotou člaacutenku Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky jsou naacutechylneacute na materiaacuteloveacute poruchy Maleacute množstviacute materiaacutelu je schopno po dlouho dobu při vysokyacutech teplotaacutech pracovat bez degradace Vysokoteplotniacute provoz neniacute vhodnyacute pro rozsaacutehleacute vyacuteroby nebo pro aplikace kde je požadovaacuten rychlyacute start zařiacutezeniacute Současneacute aplikace teacuteto metody se zaměřujiacute na stacionaacuterniacute elektraacuterenskeacute zdroje Nejvyacuteznamnějšiacutemi vysokoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů tzv MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů využiacutevajiacute elektrolytu kteryacute je schopen přenaacutešet uhličitanoveacute ionty CO3 2- od katody k anodě Elektrolyt se sklaacutedaacute z roztaveneacute směsi uhličitanu lithia a uhličitanu draselneacuteho Směs je udržovaacutena pomociacute kapilaacuterniacutech sil v keramickeacute podpůrneacute mřiacutežce z hlinitanu litneacuteho Při provozniacute teplotě se struktura elektrolytu změniacute na stav podobnyacute pastě kteraacute umožňuje uacuteniky plynů na okrajiacutech člaacutenku Tyto palivoveacute člaacutenky pracujiacute s teplotami okolo 650 degC a tlaky v rozmeziacute relativniacutech hodnot 1 až 10 barů Každyacute člaacutenek je schopen produkovat stejnosměrneacute napětiacute mezi 07 a 1 V Princip fungovaacuteniacute tohoto člaacutenku je na obraacutezku 20

53

Obr 20 Scheacutema člaacutenku MCFC [8]

Palivoveacute člaacutenky na baacutezi tekutyacutech uhličitanů jsou schopneacute provozu při zaacutesobovaacuteniacute jak čistyacutem vodiacutekem tak lehkyacutemi uhlovodiacutekovyacutemi palivy Palivo napřiacuteklad metan je dopraveno na anodu za přiacutetomnosti vody přijme teplo a podstoupiacute reakci parniacuteho reformingu

CH 4 + H2Orarr 3H2 +CO Pokud bude jako palivo použit jinyacute lehkyacute uhlovodiacutek potom se může počet molekul vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho změnit ale produkty reakce jsou v podstatě vždy stejneacute Reakce na anodě molekuly vodiacuteku s uhličitanovyacutem iontem probiacutehaacute bez ohledu na druh použiteacuteho paliva a vypadaacute naacutesledovně

H2 +CO32minus rarr H2O +CO2 + 2e

minus

Reakce probiacutehajiacuteciacute na katodě a to kysliacuteku s oxidem uhličityacutem probiacutehaacute opět bez ohledu na druhu paliva

O2 + 2CO2 + 4eminus rarr 2CO3

2minus

Iont CO3 2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě Dochaacuteziacute k reakci iontu CO3 2- jak s vodiacutekem tak oxidem uhelnatyacutem Elektrony prochaacutezejiacute přes elektrickou zaacutetěž nachaacutezejiacuteciacute se ve vnějšiacute čaacutesti elektrickeacuteho obvodu od anody ke katodě Celkovaacute reakce na člaacutenku je tedy

2H2 +O2 rarr 2H2O Vyacuteslednaacute reakce oxidu uhelnateacuteho ke ktereacute dochaacuteziacute pouze v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Produktem palivoveacuteho člaacutenku bez ohledu na palivo je voda V přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva je kromě vody produktem takeacute oxid uhličityacute Pro zajištěniacute plynulosti zajištěniacute kvality elektrochemickeacute reakce musiacute byacutet oba produkty plynule odvaacuteděny z katody člaacutenku

54

Mezi hlavniacute vyacutehody palivovyacutech člaacutenků s tekutyacutemi uhličitany patřiacute podpora samovolneacuteho vnitřniacuteho reformingu lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv vyacuteroba vysoko-potenciaacutelniacuteho tepla Samotnaacute reakce nepotřebuje katalyzaacutetory z ušlechtilyacutech kovů maacute velmi dobrou kinetiku a uacutečinnost Palivoveacute člaacutenky ovšem takeacute traacutepiacute mnoho nevyacutehod a provozniacutech omezeniacute Je potřeba vyvinou materiaacutely odolneacute vůči korozi při vysokyacutech teplotaacutech s malyacutem součinitelem objemoveacute roztažnosti ktereacute jsou vysoce mechanicky a tepelně odolneacute a jejichž vyacuteroba je technicky možnaacute Koroze je největšiacute probleacutem těchto člaacutenků Koroze způsobuje oxidaci niklu katody a jeho rozpuštěniacute v elektrolytu to může způsobit zhoršeniacute stavu separaacutetoru vysušeniacute či zaplaveniacute elektrod Korozniacute vlivy způsobujiacute pokles vyacutekonu a zkraacuteceniacute životnosti člaacutenku Rozměrovaacute nestaacutelost způsobenaacute objemovou roztažnostiacute může způsobit zničeniacute elektrod ktereacute změniacute povrch aktivniacute oblasti to může miacutet za naacutesledek ztraacutetu kontaktu a vysokyacute odpor mezi jednotlivyacutemi čaacutestmi člaacutenku Tekutyacute elektrolyt přinaacutešiacute probleacutemy s manipulaciacute člaacutenku Největšiacute nevyacutehodou je dlouhaacute doba potřebnaacute k rozběhu tento fakt tyto člaacutenky odsoudil do pozice použiacutevaacuteniacute pouze ve stacionaacuterniacutech aplikaciacutech

4511 Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů SOFC

Palivoveacute člaacutenky použiacutevajiacute elektrolyt schopnyacute veacutest kysliacutekoveacute ionty O-2 od katody k anodě je to opačnyacute směr než u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků jež vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je tvořen z pevnyacutech oxidů ktereacute majiacute podobu keramiky obvykle zirkonia (stabilizovaneacuteho dalšiacutemi oxidy kovů vzaacutecnyacutech zemin jako je ytrium) Člaacutenky jsou sestavovaacuteny postupnyacutem uklaacutedaacuteniacutem různyacutech vrstev materiaacutelu Běžnaacute uspořaacutedaacuteniacute použiacutevajiacute trubicoveacute či plocheacute tvary jednotlivyacutech člaacutenků Tvary ovlivňujiacute povrch člaacutenku a takeacute těsněniacute člaacutenku a to nejen v důsledku průsaku mezi kanaacutelky paliva a oxidantu ale takeacute vlivem elektrickeacuteho zapojeniacute jednotlivyacutech člaacutenků do bloku Pro materiaacutel elektrod mohou byacutet použity kovy typu niklu a kobaltu Palivoveacute člaacutenky SOFC pracujiacute s teplotami okolo 1000degC a relativniacutemi tlaky kolem 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 08 až 10 V

Obr 21 Scheacutema SOFC [18]

55

Palivoveacute člaacutenky mohou stejně jako MCFC člaacutenky pracovat jak s čistyacutem vodiacutekem tak uhlovodiacutekovyacutemi palivy Vstupniacute palivo se potom sklaacutedaacute jak z vodiacuteku tak z oxidu uhelnateacuteho Reakce na anodě jsou naacutesledujiacuteciacute

H2 +Ominus2 rarr H2O + 2eminus

CO +O2minus rarrCO2 + 2eminus

Reakce na katodě 1 2O2 + 2e

minus rarrO2minus

Iont O2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě vlivem chemickeacute přitažlivosti vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho Uvolněneacute elektrony prochaacutezejiacute vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě V tomto přiacutepadě se ionty pohybujiacute od katody k anodě což je opačnyacute pohyb než probiacutehaacute u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků Produkty reakciacute se tedy hromadiacute spiacuteše na anodě než na katodě Po spojeniacute reakciacute na anodě a katodě můžeme psaacutet vyacutesledneacute reakce člaacutenku

H2 +1 2O2 rarr H2OCO +1 2O2 rarrCO2

Palivoveacute člaacutenky SOFC tedy produkujiacute vodu bez ohledu na použiteacute palivo oxid uhličityacute v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet oba druhy reagentů plynule odvaacuteděny z katody Mezi hlavniacute vyacutehody těchto člaacutenků patřiacute opět umožněniacute samovolneacuteho reformingu uhlovodiacutekovyacutech paliv jelikož ionty kysliacuteku prochaacutezejiacute přes elektrolyt leacutepe než ionty vodiacuteku mohou byacutet tyto člaacutenky použity k oxidaci plynneacuteho paliva Dokaacutežiacute pracovat stejně dobře jak se suchyacutemi tak i vlhkyacutemi palivy Majiacute stejně jako MCFC velkou kinetiku reakce a vysokou uacutečinnost V porovnanaacute s MCFC člaacutenky mohou pracovat s vyššiacute proudovou hustotou a pevnyacute elektrolyt umožňuje snadnějšiacute manipulaci a možnost vyacuteroby rozličnyacutech tvarů a uspořaacutedaacuteniacute Nepotřebujiacute katalyzaacutetor z ušlechtilyacutech kovů Hlavniacute nevyacutehody jsou opět spojeny s vyacutevojem vhodnyacutech materiaacutelů Je zde nutnost vyacutevoje vhodnyacutech materiaacutelů ktereacute majiacute požadovanou vodivost jak elektrickou tak tepelnou a ktereacute zachovaacutevajiacute pevneacute skupenstviacute i při vysokyacutech teplotaacutech jsou chemicky slučitelneacute (kompatibilniacute) s ostatniacutemi čaacutestmi člaacutenku jsou rozměrově staacuteleacute majiacute vysokou mechanickou odolnost a jejichž vyacuteroba je dostatečně technicky zvlaacutednuta Mnoho materiaacutelů je možno použiacutet pro vysokeacute teploty aniž by změnily svoje skupenstviacute na jineacute než pevneacute Vybraneacute materiaacutely musiacute byacutet dostatečně husteacute aby zabraacutenily promiacutechaacutevaacuteniacute paliva s oxidačniacutemi plyny a musiacute miacutet dostatečnou podobnost charakteristik tepelnyacutech roztažnostiacute aby nedošlo k jejich štěpeniacute na vrstvy a k jejich praskaacuteniacute během tepelneacuteho cyklu SOFC palivoveacute člaacutenky jsou citliveacute na přiacutetomnost siacutery v palivu kteraacute nesmiacute překročit hodnotu 500 ppm Celkově je ovšem zatiacutem technologie SOFC nedostatečně vyspělaacute

56

452Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute obvykle s teplotami nižšiacutemi než 250 degC Tyto niacutezkeacute teploty neumožňujiacute vnitřniacute reforming paliva v důsledku čehož vyžadujiacute niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky vnějšiacute zdroj vodiacuteku Na druhou stranu vykazujiacute rychlyacute rozběh zařiacutezeniacute a trpiacute menšiacute poruchovostiacute konstrukčniacutech materiaacutelů Jsou takeacute mnohem vhodnějšiacute pro aplikace v dopravě Nejvyacuteznamnějšiacutemi niacutezkoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC alkalickeacute palivoveacute člaacutenky AFC palivoveacute člaacutenky s protonovou membraacutenou PEM FC a palivoveacute člaacutenky s přiacutemyacutem zpracovaacuteniacutem methanolu DMFC

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute s elektrolytem jenž je schopnyacute veacutest hydroxidoveacute ionty od katody k anodě I tento typ se lišiacute od většiny niacutezkoteplotniacutech člaacutenků ktereacute vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je složen z roztaveneacute alkalickeacute směsi hydroxidu draselneacuteho Elektrolyt může byacutet jak pohyblivyacute tak i pevnyacute Palivoveacute člaacutenky s nepohyblivyacutemi elektrolytem použiacutevajiacute tuhyacute elektrolyt jež je udržovaacuten pohromadě pomociacute kapilaacuterniacutech sil uvnitř poreacutezniacute podpůrneacute krystalickeacute mřiacutežky kteraacute je tvořena azbestem Hmota samotnaacute zajišťuje těsněniacute proti uacuteniku plynů na okraji člaacutenku Produkovanaacute voda se odpařuje do proudu zdrojoveacuteho vodiacutekoveacuteho plynu na straně anody kde současně dochaacuteziacute k jejiacute kondenzaci Odpadniacute teplo je odvaacuteděno přes obiacutehajiacuteciacute chladivo Alkalickeacute člaacutenky pracujiacute v rozmeziacute teplot 65 až 220degC a při relativniacutem tlaku okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vytvaacuteřet stejnosměrneacute napětiacute mezi 11 až 12 V Zjednodušeneacute scheacutema je na obraacutezku 22

Obr 22 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [18]

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky musiacute pracovat pouze s čistyacutem vodiacutekem bez přiacuteměsi oxidů uhliacuteku Na anodě se odehraacutevajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 + 2K+ + 2OH minus rarr 2K + 2H2O

2Krarr 2K + + 2eminusReakce na katodě jsou tyto

57

1 2O2 + H2Orarr 2OH

2OH + 2eminus rarr 2OH minus

Hydroxidoveacute ionty OH- prochaacutezejiacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem chemickeacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny obiacutehat vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě Sloučeniacutem anodovyacutech a katodovyacutech reakciacute můžeme napsat celkoveacute reakce pro alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

H2 + 2OHminus rarr 2H2 + 2e

minus

1 2O2 + H2O + 2eminus rarr 2OH minus

Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek produkuje vodu jež se odpařuje do proudu vstupujiacuteciacuteho vodiacuteku (v přiacutepadě systeacutemů s nepohyblivyacutem elektrolytem) či je odvaacuteděna z palivoveacuteho člaacutenku s elektrolytem (u systeacutemů s pohyblivyacutem elektrolytem) Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet tato voda z člaacutenku odvaacuteděna plynule Mezi vyacutehody AFC člaacutenků patřiacute niacutezkaacute provozniacute teplota rychleacute startovaciacute časy (při teplotě rovneacute teplotě okoliacute jsou schopny dodat 50 jmenoviteacuteho vyacutekonu) Člaacutenek je vysoce uacutečinnyacute a spotřebovaacutevaacute minimaacutelniacute množstviacute platinoveacuteho katalyzaacutetoru AFC se vyznačuje malou hmotnostiacute a objemem minimaacutelniacute koroziacute a relativně jednoduchyacutem provozem Mezi nevyacutehody patřiacute potřeba čisteacuteho vodiacuteku jako paliva relativně kraacutetkaacute životnost a potřeba složiteacuteho systeacutemu vodniacuteho hospodaacuteřstviacute Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem tvořenyacutem kapalnou kyselinou fosforečnou je schopen veacutest vodiacutekoveacute ionty (protony) H+ od anody směrem ke katodě Kyselina fosforečnaacute se nachaacuteziacute uvnitř krystalickeacute mřiacutežky tvořeneacute karbidem křemiacuteku (některeacute palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyselin použiacutevajiacute jako elektrolyt kyselinu siacuterovou) PAFC člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech od 150 do 205degC a s relativniacutem tlakem okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 11 V U PAFC člaacutenků reaguje vodiacutek s kysliacutekem Reakci na anodě můžeme popsat naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

Reakce na katodě maacute potom tento tvar1 2O2 + 2e

minus + 2H + rarr H2O Proton vodiacuteku prochaacuteziacute elektrolytem od anody směrem ke katodě na zaacutekladě přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny prochaacutezet vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem v opačneacutem směru Sloučeniacutem anodoveacute a katodoveacute reakce ziacuteskaacuteme obecnou reakci pro člaacutenek kterou můžeme popsat2H2 +O2 rarr 2H2O PAFC člaacutenky produkujiacute voda kteraacute se hromadiacute na katodě Abychom zajistili dostatečnou kvalitu reakce musiacute byacutet produktovaacute voda postupně ze člaacutenku odvaacuteděnaPAFC člaacutenky jsou schopny sneacutest vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho v palivu (až 30) a proto PAFC nepožadujiacute čištěniacute vzduchu jako okysličovadla a reformaacutetoru jako paliva Pracujiacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech i tak jsou tyto teploty o něco vyššiacute než u ostatniacutech niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenciacutech proto produkujiacute odpadniacute teplo o vyššiacutem potenciaacutelu ktereacute může byacutet využito v kogeneračniacutech aplikaciacutech

58

PAFC člaacutenky jsou naacutechylneacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu kteryacute nesmiacute přesaacutehnout 2 Daacutele jsou citliveacute na obsah siacutery v palivu maximaacutelniacute obsah siacutery by neměl překročit 50 ppm Tiacutem že se použiacutevaacute korozivniacute tekutyacute elektrolyt vznikajiacute probleacutemy s koroziacute konstrukčniacutech materiaacutelů PAFC jsou velkeacute a těžkeacute a nejsou schopny samostatneacuteho reformingu uhliacutekovyacutech paliv Je potřeba jednotku před provozem zahřaacutet a musiacute byacutet trvale udržovaacuteny na provozniacute teplotě Noveacute formy palivovyacutech člaacutenků s elektrolytem na baacutezi kyselin využiacutevajiacute pevnyacutech kyselinovyacutech elektrolytů Tyto člaacutenky jsou vyrobeny ze sloučenin typu CsHSO4 pracujiacute s teplotami až do 250 degC a s napětiacutem napraacutezdno (otevřeneacuteho obvodu) 111 V DC Daacutele nabiacutezejiacute vyacutehodu provozu bez vlhkosti při zmiacuterněniacute citlivosti na oxid uhelnatyacute a možnosti samostatneacuteho reformingu metanolu Trpiacute však degradaciacute vlivem obsahu siacutery velikou houževnatostiacute (tvaacuternostiacute) při teplotaacutech nad 125 degC a rozpustnostiacute ve vodě Vyacuterobniacute techniky pro praktickeacute využitiacute nebyly ještě vyvinuty

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami PEM FC

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (nebo teacutež člaacutenky s pevnyacutem polymerem) použiacutevajiacute elektrolyt jenž je schopnyacute veacutest protony H+ od anody ke katodě Elektrolyt je vytvořen z pevneacuteho polymerniacuteho filmu kteryacute se sklaacutedaacute z okyseleneacuteho teflonu Fyzicky je každyacute palivovyacute člaacutenek vytvořen z membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA - Membrane Electrode Assembly) jež se sklaacutedaacute z anody katody elektrolytu a katalyzaacutetorů Všechny čaacutesti jsou umiacutestěny mezi dvěma deskami vyrobenyacutemi z grafitu a označovanyacutemi jako bipolaacuterniacute desky (Flow Field Plates desky s kanaacutelky pro rozvod plynů paliva a okysličovadla) Tyto desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo k jednotlivyacutem stranaacutem membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA) Chladivo se použiacutevaacute k regulaci reakčniacute teploty palivoveacuteho člaacutenku Pro snadnějšiacute regulaci jsou mezi každyacute palivovyacute člaacutenek umiacutestěny chladiacuteciacute desky Tyto chladiacuteciacute desky rozvaacutedějiacute chladivo uvnitř palivoveacuteho člaacutenku za uacutečelem absorpce či dodaacutevky požadovaneacuteho tepla Těsněniacute mezi grafitovyacutemi deskami zajišťuje aby se proud okysličovadla paliva a chladiva uvnitř palivoveacuteho člaacutenku nepromiacutechal Elektrickeacute desky (koncoveacute elektrody člaacutenku) jsou umiacutestěny na uacuteplnyacutech konciacutech do seacuterie řazenyacutech bipolaacuterniacutech desek (Flow Field Plates) Tyto desky se spojujiacute se svorkami ze kteryacutech je ziacuteskaacutevaacutena elektrickaacute energie palivoveacuteho člaacutenku (stacku) V přiacutepadě velkyacutech palivovyacutech člaacutenků musiacute byacutet jednotliveacute desky stlačeny a sešroubovaacuteny dohromady pomociacute tyčiacute či spojeny jinyacutem mechanickyacutem způsobem Elektrody zprostředkovaacutevajiacute přechod mezi deskami s rozvodnyacutemi kanaacutelky a elektrolytem Musiacute umožnit průnik vlhkyacutem plynům poskytnout reakčniacute povrch v miacutestě styku s elektrolytem musiacute byacutet vodiveacute pro volneacute elektrony jež proteacutekajiacute od anody ke katodě a musiacute byacutet zkonstruovaacuteny ze vzaacutejemně slučitelnyacutech materiaacutelů Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute papiacuter s uhliacutekovyacutemi vlaacutekny poněvadž je poreacutezniacute hydrofobniacute (nesmaacutečivyacute) vodivyacute a nekorodujiacuteciacute Materiaacutel elektrod je velmi tenkyacute v důsledku maximalizace (vystupňovaacuteniacute) množstviacute dopravovaneacuteho plynu a vody Katalyzaacutetor se přidaacutevaacute na povrch každeacute elektrody na stranu elektrolytu za uacutečelem naacuterůstu rychlosti průběhu chemickeacute reakce Katalyzaacutetor podporuje chemickou reakci aniž by byl během teacuteto reakce spotřebovaacutevaacuten Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute platina neboť vykazuje vysokou elektro-katalytickou činnost chemickou stabilitu a elektrickou vodivost Platina je velmi drahaacute takže jejiacute množstviacute

59

(znaacutemeacute jako katalyzaacutetoroveacute naacuteklady) ovlivňuje cenu palivoveacuteho člaacutenku Konstrukteacuteři palivovyacutech člaacutenků usilujiacute o minimalizaci množstviacute použiteacute platiny za současneacuteho zachovaacuteniacute vyacutekonu palivoveacuteho člaacutenku Elektrolyt tvořiacute tenkaacute membraacutena z plastoveacuteho filmu jejiacutež tloušťka je obvykle od 50 do 175 microm (mikronů) Tyto membraacuteny se sklaacutedajiacute z fluorem dotovanyacutech siřičitanovyacutech kyselin ktereacute stejně jako teflonoveacute fluoro-uhliacutekoveacute polymery majiacute řetězec končiacuteciacute zbytkem kyseliny siřičiteacute (-SO3-2) Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami použiacutevajiacute totiž kyselyacute elektrolyt stejně jako palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute Všechny kyseleacute pevneacute elektrolyty vyžadujiacute přiacutetomnost molekul vody pro vodivost vodiacutekovyacutech iontů (protonů) poněvadž vodiacutekoveacute ionty se pohybujiacute společně s molekulami vody v průběhu vyacuteměnneacute iontoveacute reakce Podiacutel vody k vodiacutekovyacutem iontům u efektivniacute vodivosti je obvykle okolo 31 Z tohoto důvodu musiacute byacutet plyny v kontaktu s membraacutenou nasyceneacute vodou pro lepšiacute funkci palivoveacuteho člaacutenku Na molekulaacuterniacute uacuterovni maacute polymer trubicovitou strukturu ve ktereacute jsou skupiny siřičitanovyacutech kyselin na vnitřniacutem povrchu trubic Tyto skupiny poskytujiacute hydrofilniacute (majiacute přiacutechylnost k vodě lehce smaacutečitelneacute) potrubiacute pro vedeniacute vody Vnějšiacute čaacutesti trubic jsou z hydrofobniacuteho fluorovaneacuteho materiaacutelu Trubkoviteacute struktury se scvrkaacutevajiacute a přeskupujiacute s poklesy obsahu vody Při stlačovaacuteniacute (zužovaacuteniacute) těchto trubek během dehydratace rapidně klesaacute vodivost což vede k naacuterůstu odporu kontaktu mezi membraacutenou a elektrodou To může veacutest až k prasklinaacutem a diacuteraacutem v membraacuteně Všechny elektrolyty musiacute vykazovat zaacutekladniacute vlastnosti jimiž jsou vodič protonů elektronovyacute izolant (nejsou schopny veacutest elektrony) a separaacutetor plynů Vyacuterobci se takeacute snažiacute produkovat membraacuteny ktereacute majiacute odpoviacutedajiacuteciacute mechanickou pevnost rozměrovou staacutelost (odolnost vůči vybouleniacute) vysokou iontovou vodivost niacutezkou atomovou hmotnost (vaacuteha polymeru vztaženaacute k množstviacute kyselyacutech zbytků) a jsou snadno zhotovitelneacute Do jisteacute miacutery je možneacute mechanickou a rozměrovou staacutelost polymeru zajistit jeho včleněniacutem do membraacutenoveacuteho uskupeniacute jež poskytne podpůrnou strukturu

Obr 23 PEM člaacutenek firmy Horizon zdroj [19]

Bipolaacuterniacute desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo na obou vnějšiacutech stranaacutech membraacutenoveacuteho uskupeniacute Každaacute z těchto desek obsahuje kanaacutelky serpentinoviteacuteho tvaru ktereacute maximalizujiacute kontakt plynu s membraacutenovyacutem uspořaacutedaacuteniacutem Specifickyacute tvar kanaacutelků pro plyn je kritickyacute pro homogenniacute vyacuterobu elektrickeacute energie staacutelyacute vyacutekon člaacutenku a spraacutevnou funkci vodniacuteho hospodaacuteřstviacute člaacutenku Tvary bipolaacuterniacutech desek jsou vyraacuteběny v zaacutevislosti na použitiacute palivovyacutech člaacutenků Každaacute deska musiacute byacutet elektricky

60

vodivaacute Proud vznikajiacuteciacute během elektrochemickeacute reakce může teacuteci z jednoho člaacutenku do druheacuteho až k postranniacutem deskaacutem ze kteryacutech je elektrickaacute energie odebiacuteraacutena do vnějšiacuteho elektrickeacuteho obvodu Desky se obvykle vyraacutebějiacute z grafitu (uhliacuteku) přičemž kanaacutelky jsou vyrobeny technologiiacute obraacuteběniacute nebo lisovaacuteniacute Grafit se upřednostňuje jako materiaacutel pro svou vynikajiacuteciacute vodivost a relativně niacutezkeacute naacuteklady Je potřeba miacutet na paměti zvlhčovaacuteniacute reakčniacutech plynů v palivovyacutech člaacutenciacutech Bez zvlhčeniacute se nedosaacutehne požadovanaacute iontovaacute vodivost a může dojiacutet ke zničeniacute palivoveacuteho člaacutenku Množstviacute vody kteryacute je schopen plyn pojmout je zaacutevisleacute na teplotě při zvlhčovaacuteniacute Ciacutelem zvlhčovaacuteniacute je nasytit reakčniacute plyny co největšiacutem množstviacutem vodniacutech par Plyny jsou zvlhčovaacuteny při provozniacute teplotě palivoveacuteho člaacutenku Při zvlhčovaacuteniacute za vyššiacutech teplot může čaacutest vodniacutech par v palivoveacutem člaacutenku kondenzovat Vnitřniacute (interniacute) zvlhčovače se sklaacutedajiacute z přiacutedavnyacutech seacuteriiacutech grafitovyacutech desek začleněnyacutech do palivoveacuteho člaacutenku Tiacutemto dochaacuteziacute k rozděleniacute bloku palivoveacuteho člaacutenku na aktivniacute čaacutest kteraacute obsahuje palivoveacute člaacutenky a neaktivniacute čaacutest jež obsahuje desky zvlhčovače Desky zvlhčovače jsou obdobneacute bipolaacuterniacutem deskaacutem a využiacutevajiacute se k rozvodu plynu a vody po hydrofilniacute membraacuteně Voda se přemiacutesťuje přes membraacutenu a sytiacute omyacutevajiacuteciacute plyn Membraacuteny tohoto typu jsou již komerčně dostupneacute Vnitřniacute zvlhčovače odebiacuterajiacute vodu přiacutemo z chladiacuteciacuteho okruhu (z proudu chladiacuteciacuteho meacutedia) a vyuacutesťujiacute v jednoduchyacute integrovanyacute systeacutem s dobře propojenyacutemi teplotniacutemi charakteristikami Takoveacute uspořaacutedaacuteniacute předem vylučuje využitiacute jineacuteho chladiacuteciacuteho meacutedia než čisteacute vody Čistaacute voda naviacutec zhoršuje probleacutemy při startu palivoveacuteho člaacutenku neboť při niacutezkyacutech teplotaacutech může dojiacutet k jejiacutemu zamrznutiacute Kromě toho vede zakomponovaacuteniacute zvlhčovače do palivoveacuteho člaacutenku k naacuterůstu rozměrů palivoveacuteho člaacutenku a komplikuje jeho opravy neboť obě čaacutesti musiacute byacutet opravovaacuteny současně Vnějšiacute zvlhčovače se nejčastěji navrhujiacute jako membraacutenoveacute či kontaktniacute Membraacutenoveacute jsou založeny na obdobneacutem principu jako vnitřniacute zvlhčovače avšak jsou umiacutestěny odděleně Kontaktniacute zvlhčovače využiacutevajiacute principu rozprašovaacuteniacute zvlhčovaciacute vody na horkyacute povrch či do komory s velkou povrchovou plochou kterou proteacutekaacute jeden z reagujiacuteciacutech plynů Voda se potom odpařuje přiacutemo do plynu a způsobuje jeho nasyceniacuteVnějšiacute zvlhčovače mohou odebiacuterat vodu z chladiacuteciacuteho okruhu nebo mohou byacutet vybaveny samostatnyacutem vodniacutem okruhem Vyacutehody a nevyacutehody pro přiacutepad odběru vody z okruhu chladiacuteciacuteho meacutedia jsou stejneacute jako u vnitřniacutech zvlhčovačů V přiacutepadě zvlhčovače se samostatnyacutem vodniacutem okruhem může byacutet jako chladivo použito meacutedium s vyššiacutemi niacutezkoteplotniacutemi charakteristikami než maacute voda čiacutemž se však stane vzaacutejemnaacute vazba mezi teplotou zvlhčovače a palivoveacuteho člaacutenku daleko komplikovanějšiacute Bez ohledu na zdroj vody vede využiacutevaacuteniacute vnějšiacuteho zvlhčovače k nutnosti použitiacute samostatnyacutech součaacutestiacute ktereacute jsou pravděpodobně rozměrnějšiacute a takeacute mohutnějšiacute zvlaacuteště v přiacutepadě kontaktniacuteho zvlhčovače PEM člaacutenky pracujiacute s teplotami 70 až 90 degC a relativniacutem tlakem 1 až 2 bary Každyacute člaacutenek je schopnyacute generovat napětiacute okolo 11 V

61

Obr 24 Scheacutema PEM člaacutenku [18] V palivovyacutech člaacutenciacutech typu PEM spolu reagujiacute vodiacutek a kysliacutek Reakce na anodě a anodě probiacutehajiacute naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

1 2O2 + 2eminus + 2H + rarr H2O

Proton H+ prochaacuteziacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem vzaacutejemneacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou využity k oběhu od anody ke katodě přes vnějšiacute elektrickyacute obvod Sloučeniacutem reakciacute na anodě a katodě ziacuteskameacute celkovou reakci pro PEM člaacutenek

H2 +1 2O2 rarr H2O PEM člaacutenky dobře snaacutešiacute vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho jak v palivu tak okysličovadlu proto mohou PEM člaacutenky pracovat se znečištěnyacutem vzduchem jako okysličovadlem a reformaacutetorem jako palivem Tyto člaacutenky pracujiacute s niacutezkyacutemi teplotami což zjednodušuje požadavky na použiteacute materiaacutely umožňuje rychlyacute start a zvyšuje bezpečnost Je použit pevnyacute suchyacute elektrolyt to eliminuje naacuteroky na manipulaci s tekutinami snižuje pohyb elektrolytu a probleacutemy spojeneacute s jeho doplňovaacuteniacutem Elektrolyt neniacute korozivniacute tiacutem samozřejmě klesajiacute probleacutemy s koroziacute materiaacutelů PEM člaacutenky majiacute vysokeacute člaacutenkoveacute napětiacute vysokou proudovou a energetickou hustotu Pracovniacute tlaky jsou relativně niacutezkeacute a člaacutenek je schopen reagovat na proměnnost tlaku bez většiacutech probleacutemů Tvarově jsou PEM člaacutenky jednoducheacute kompaktniacute a mechanicky odolneacute PEM člaacutenky jsou citliveacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu (maximum je 50 ppm) jsou schopneacute sneacutest pouze několik ppm sloučeniny siacutery PEM člaacutenky požadujiacute zvlhčovaacuteniacute reakčniacuteho plynu zvlhčovaacuteniacute je energeticky naacuteročneacute a způsobuje naacuterůst rozměru celeacuteho systeacutemu Použitiacute vody pro zvlhčovaacuteniacute paliva limituje provozniacute teplotu palivoveacuteho člaacutenku na hodnotu nižšiacute než je teplota bodu varu vody čiacutemž se redukuje potenciaacutel využitelnyacute v kogeneračniacutech aplikaciacutech PEM člaacutenky použiacutevajiacute draheacute platinoveacute katalyzaacutetory a draheacute membraacuteny se kteryacutemi se obtiacutežně pracuje

62

46 Systeacutem palivovyacutech člaacutenků

Blok palivoveacuteho člaacutenků je jednotka pro přeměnu energie v systeacutemu palivoveacuteho člaacutenku Zdroj se sklaacutedaacute z množstviacute subsysteacutemů pro řiacutezeniacute a regulaci provozu palivoveacuteho člaacutenku Pomocneacute systeacutemy jsou požadovaacuteny pro systeacutem chlazeniacute člaacutenku dopravu a zvlhčovaacuteniacute reaktantů přenos elektrickeacuteho vyacutekonu člaacutenku monitorovaacuteniacute a řiacutezeniacute provozu popřiacutepadě uskladněniacute paliva a okysličovadla Systeacutemy palivovyacutech člaacutenků majiacute vyššiacute tepelneacute uacutečinnosti zvlaacuteště ty s malyacutemi rozměry či středniacutem zatiacuteženiacutem Praacutevě uacutečinnostniacute charakteristika poskytuje hlavniacute impuls pro současnyacute vyacutevoj palivovyacutech člaacutenků Zdroje s palivovyacutemi člaacutenky jsou schopneacute provozu s reformovanyacutemi fosilniacutemi palivy jakyacutem je metanol či zemniacute plyn Zdokonalenaacute tepelnaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku snižuje objem potřebneacuteho paliva a tiacutem zajišťuje i sniacuteženiacute znečišťovaacuteniacute životniacuteho prostřediacute Konfigurace provozniacute charakteristiky a celkovaacute systeacutemovaacute uacutečinnost zdrojů s palivovyacutemi člaacutenky se určuje předevšiacutem vyacuteběrem vhodneacuteho paliva a okysličovadla Nejefektivnějšiacute konfigurace zdrojů je založena na čistyacutech reaktantech - vodiacuteku a kysliacuteku Avšak pro většinu aplikaciacute je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku a kysliacuteku nepraktickeacute a proto se hledajiacute různeacute alternativy Napřiacuteklad vzduch se obvykle u systeacutemů s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM využiacutevaacute jako okysličovadlo pokud je to možneacute Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je sniacutežena v porovnaacuteniacute s provozem s čistyacutem kysliacutekem a znevyacutehodněniacute je ještě umocněno potřebou stlačovaacuteniacute vzduchu Tato znevyacutehodněniacute jsou takeacute většiacute než kompenzace provedenaacute přemiacutestěniacutem uskladněniacute okysličovadla ven ze zdroje Pro určiteacute aplikace je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku nepraktickeacute v důsledku jeho niacutezkeacute uskladňovaciacute hustoty a nedostatečneacute infrastruktury Tekutaacute paliva jako je metanol nafta a petrolej mohou byacutet reformovaacuteny na plyny bohateacute na vodiacutek ktereacute jsou využity pro provoz palivoveacuteho člaacutenku Zemniacute plyn pokud je dostupnyacute může byacutet takeacute využit v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků Reforming však snižuje celkovou uacutečinnost systeacutemu a zapřiacutečiňuje i naacuterůst rozměrů zdroje

461 Systeacutem vodiacutek vzduch

Suchozemskeacute systeacutemy s palivovyacutemi člaacutenky použiacutevajiacute obvykle jako okysličovadlo stlačenyacute vzduch Jako palivo může byacutet použita jakyacutekoliv z vyacuteše zmiňovanyacutech laacutetek avšak čistyacute vodiacutek je nejjednoduššiacute a nejuacutečinnějšiacute pro tyto podmiacutenky Vodiacutek jako palivo maacute relativně niacutezkou objemovou a hmotnostniacute hustotou uskladněniacute energie ve srovnaacuteniacute s tekutyacutemi palivy jež jsou v současnosti využiacutevaacuteny Kromě toho neniacute zde vybudovaacutena dostatečnaacute infrastruktura pro vstup vodiacuteku na světovyacute trh s energiemi A upřiacutemně v současneacute době relativniacuteho dostatku tekutyacutech paliv potřeba tuto infrastrukturu neniacute přiacuteliš velikaacute Zjednodušeneacute scheacutema zdroje na baacutezi palivovyacutech člaacutenků typu PEM použiacutevajiacuteciacute vodiacutek a vzduch je na obraacutezku 25 Vodiacutek je dopravovaacuten ze zaacutesobniacuteků Vodiacutek je zvlhčen a dodaacutevaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Plynovyacute kompresor tlakuje vodiacutek kteryacute z člaacutenku odchaacuteziacute (poměrnyacute obsah vodiacuteku je přibližně 15) jako přebytek paliva a vraciacute ho zpět do vstupniacute čaacutesti okruhu dodaacutevky paliva Čistota vodiacuteku je jedniacutem z nejdůležitějšiacutech požadavků z toho důvodu musiacute byacutet systeacutem velmi dobře uzavřen V systeacutemu anody je instalovaacuten odvzdušňovaciacute ventil kteryacute sloužiacute k periodickeacutemu odvodu nečistot ktereacute se nachaacutezejiacute ve vodiacutekoveacutem zaacutesobniacuteku Okolniacute vzduch je filtrovaacuten stlačen zvlhčen a dodaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Kondenzaacutetor odvaacutediacute produktovou vodu z vyacutestupu vzduchu rekuperačniacute tepelnyacute

63

vyacuteměniacutek ohřiacutevaacute proud vstupniacuteho vzduchu Popsanyacute systeacutem pracuje obvykle s tlakem okolo 2 barů Uzavřenaacute smyčka chladiacuteciacuteho okruhu je zaměstnaacutevaacutena udržovaacuteniacutem provozniacute teploty člaacutenků okolo 80 degC Kondenzaacutetor produktoveacute vody a zvlhčovač reaktantů se začleňuje do chladiacuteciacuteho systeacutemu V systeacutemu chladiacuteciacute vody je daacutele instalovaacuten deionizačniacute filtr z důvodu udrženiacute hladiny čistoty vody Člaacutenek je dokonale izolovaacuten aby se předešlo průsakům vody ven z člaacutenku a kontaminaci membraacuteny prostřednictviacutem nechtěnyacutech iontů Na elektrickeacutem vyacutestupu palivoveacuteho člaacutenku je neregulovaneacute stejnosměrneacute napětiacute Testovaacuteniacute zaacutetěže by se mělo provaacutedět pravidelně aby byly zajištěny dobreacute elektrickeacute podmiacutenky pro předpoklaacutedanou zaacutetěž

Obr 25 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a vzduchem [8]

462Systeacutem vodiacutek kysliacutek

V aplikaciacutech kde neniacute dostupnyacute vzduch jako je vesmiacuter nebo podmořskeacute prostřediacute může byacutet použit čistyacute vodiacutek kysliacutek jako okysličovadlo Kysliacutek je uskladněn jako stlačenyacute plyn či kryogenniacute tekutina Kysliacutek zabiacuteraacute určityacute objem a hmotnost celkoveacuteho energetickeacuteho systeacutemu Palivoveacute člaacutenky potom vykazujiacute většiacute vyacutekon většiacute napětiacute člaacutenku a celkovou uacutečinnost Odstraněniacute zařiacutezeniacute ke stlačovaacuteniacute vzduchu dochaacuteziacute v systeacutemu k poklesu hlučnosti a parazitickyacutech ztraacutet Obraacutezek 26 znaacutezorňuje typickyacute zdroj s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s čistyacutem vodiacutekem a kysliacutekem Je to v podstatě stejnyacute systeacutem jako v přiacutepadě systeacutemu se vzduchem Toky obou reaktantů jsou cirkulovaacuteny skrz palivovyacute člaacutenek pomociacute kompresorů se opětovně natlakujiacute na provozniacute tlak V přiacutepadě dostupnosti vhodnyacutech dopravniacutech tlaků z uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků reaktantů mohou byacutet kompresory nahrazeny čerpadly čiacutemž dojde k eliminaci parazitniacutech ztraacutet spojenyacutech s cirkulaciacute plynu Systeacutemy těchto palivovyacutech člaacutenků jsou obvykle konstruovaacuteny pro provoz

64

v uzavřeneacutem prostřediacute a mohou byacutet provozovaacuteny jako samostatneacute uzavřeneacute systeacutemy V ideaacutelniacutem přiacutepadě je jedinyacutem hmotnyacutem produktem voda Nečistoty ve vstupniacutem vodiacuteku a kysliacuteku postupně zvyšujiacute svou koncentraci v systeacutemu proto je nezbytneacute pravidelneacute čištěniacute Inertniacute čaacutesti paliva jsou vstřebaacutevaacuteny a odvaacuteděny prostřednictviacutem produktoveacute vody palivoveacuteho člaacutenku Potřeba přiacutedavneacuteho čištěniacute je určena požadavkem čistoty u zařiacutezeniacute na uskladněniacute reaktantů životnostiacute zdroje a provozniacutemi podmiacutenkami systeacutemu

Obr 26 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a kysliacutekem [8]

65

5 Instalace ve světě

V současnosti se spojeniacute větrneacute energie a vyacuteroby vodiacuteku použiacutevaacute velmi maacutelo Tento systeacutem maacute ovšem podle mnoha zdrojů obrovskyacute růstovyacute potenciaacutel Nabiacuteziacute jednu z alternativ pro teacuteměř 16 miliardy lidiacute na světě kteřiacute nemajiacute přiacutestup k elektrickeacute energii Trhy pro ktereacute je tato technologie zajiacutemaveacute již dnes jsou izolovaneacute oblasti vyspělyacutech staacutetů Tyto trhy použiacutevajiacute jako hlavniacute zdroj elektrickeacute energie diesel agregaacutety jsou tudiacutež vysoce zaacutevisleacute na dodaacutevkaacutech ropy Vodniacute elektrolyacuteza je použitelnaacute ve spojeniacute s fotovoltaickou a větrnou energiiacute Existuje dobraacute shoda mezi polarizačniacutemi křivkami obnovitelnyacutech zdrojů a elektrolyzeacuterů a mohou byacutet spojeny bez elektronickeacuteho sledovaacuteniacute vyacutekonovyacutech charakteristik při relativně vysokeacute uacutečinnosti Projekty využiacutevajiacuteciacute spojeniacute větrneacute energie již existujiacute Jeden z pilotniacutech projektů je umiacutestěn na ostrově Unst v severniacute čaacutesti Velkeacute Britaacutenie Ciacutelem tohoto projektu je demonstrovat jak větrnaacute energie spojenaacute s využiacutevaacuteniacutem vodiacuteku je schopna pokryacutet energetickeacute potřeby pěti obchodniacutech jednotek v odlehleacute oblasti Větrnaacute energie na Shetlandech nabiacuteziacute velmi dobreacute možnosti pro jejiacute využitiacute nevyacutehodou větrnyacutech podmiacutenek na tomto ostrově je jejich nepředviacutedatelnaacute povaha Pro zajištěniacute stabilniacuteho a spolehliveacuteho dodaacutevaacuteniacute energie je potřeba zajistit dobreacute řiacutezeniacute toku teacuteto energie a skladovaacuteniacute Elektrickaacute siacuteť je na ostrově ve velmi špatneacutem stavu a neumožňuje připojeniacute dalšiacuteho pevneacute připojeniacute z obnovitelnyacutech zdrojů Každyacute novyacute systeacutem musiacute byacutet připojen nezaacutevisle na siacuteti nebo miacutet zajištěn dostatečnou kapacitu pro uskladněniacute energie z těchto zdrojů Na ostrově jsou umiacutestěny 2 větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 15 kW V čase niacutezkeacuteho odběru obchodniacutech jednotek nebo naopak při vysokeacute produkci je přebytek energie použit v elektrolyzeacuteru kteryacute potřebuje přibližně 2-7 kW denniacute produkce vodiacuteku dosahuje přibližně 2 kg vodiacuteku Vodiacutek je uložen ve vysokotlakyacutech naacutedobaacutech a daacutele použiacutevaacuten jako alternativa fosilniacutech paliv Systeacutem je vybaven zaacuteložniacutem zdrojem obsahuje 5 kW palivoveacute člaacutenky a měnič kteryacute převaacutediacute stejnosměrnyacute proud z elektrolyzeacuteru na proud střiacutedavyacute

Obr 27 Scheacutema systeacutemu instalovaneacuteho v Unstu

66

Prvniacutem miacutestem kde došlo v roce 2004 k instalaci vyacuteznamnějšiacuteho autonomniacuteho systeacutemu využiacutevajiacuteciacuteho větrneacute elektraacuterny pro produkci vodiacuteku a jeho naacutesledneacutemu použitiacute pro vyacuterobu elektrickeacute energie je norskyacute ostrov Utsira V pilotniacutem projektu bylo vybraacuteno 10 domaacutecnostiacute do kteryacutech se dodaacutevaacute elektrickaacute energie vyacutehradně z větrneacute energie Ve větrneacutem počasiacute větrneacute elektraacuterny dodaacutevajiacute elektřinu přiacutemo Když produkce elektřiny přesaacutehne aktuaacutelniacute požadavky domaacutecnostiacute je přebytečnaacute elektřina použita pro produkci vodiacuteku v elektrolyzeacuterech Vodiacutek je daacutele stlačen a uložen do tlakovyacutech naacutedob V přiacutepadě že je viacutetr přiacuteliš slabyacute nebo naopak silnyacute a větrneacute elektraacuterna neniacute schopna dodaacutevat elektrickou energii palivoveacute člaacutenky začnou spotřebovaacutevat uskladněnyacute vodiacutek a dodaacutevat elektrickou energii do domaacutecnostiacute Tento systeacutem je schopen dodaacutevat elektrickou energii domaacutecnostem až po dobu 3 dnů v přiacutepadě nedostupnosti větrneacute energie Utsira je velmi větrnyacutem ostrovem kteryacute se jevil jako ideaacutelniacute miacutesto pro pilotniacute projekt tohoto typu Na ostrově byly instalovaacuteny dvě turbiacuteny Enercon E40 každaacute s kapacitou 600 kW Jedna z turbiacuten produkuje elektřinu přiacutemo do siacutetě zatiacutemco druhaacute je připojena do samostatneacuteho systeacutemu a vyacutekon je sniacutežen na 150 kW aby leacutepe odpoviacutedala poptaacutevce Pro stabilizaci nestabilniacute obnovitelneacute energie se použiacutevaacute setrvačniacutek s kapacitou 5 kWh a 100 kVA hlavniacute synchronniacute motor ktereacute vyrovnaacutevajiacute a ovlaacutedajiacute napětiacute a frekvenci Přebytečnaacute energie je uklaacutedaacutena pomociacute elektrolyzeacuteru firmy Hydrogen Technologies s maximaacutelniacutem zatiacuteženiacutem 48 kW 5 kW kompresoru Hofer a tlakovyacutech naacutedob o objemu 2400 Nm3 při tlaku 200 bar Při nedostatku energie z větru se tato potřebnaacute energie dodaacutevaacute pomociacute 5 IRD palivovyacutech člaacutenků o celkoveacutem vyacutekonu 55 kW

Obr 28 Scheacutema projektu v Utsiře

Projekt byl v provozu nepřetržitě po dobu 4 let viacutece než 50 času byly pro dodaacutevaacuteniacute energie použiacutevaacuteny palivoveacute člaacutenky Kvalita dodaacutevky elektrickeacute energie byla dobraacute nebyly hlaacutešeny žaacutedneacute stiacutežnosti I přes uacutespěšnou demonstraci kvality projektu byly odhaleny vyacutezvy ktereacute je potřeba překonat pro zajištěniacute uacutespěchu teacuteto technologie 20 Utilizace větrneacute energie odhalila potřebu pro vyacutevoj uacutečinnějšiacutech elektrolyzeacuterů stejně tak jako zlepšeniacute uacutečinnosti konverze vodiacuteku na elektřinu Palivoveacute člaacutenky v průběhu provozu trpěly určityacutemi probleacutemy jako byl uacutenik chladiciacute kapaliny ze člaacutenku Palivoveacute člaacutenky trpěly takeacute rapidniacute degradaciacute vydržely sotva 100 hodin provozu Tyto probleacutemy spojeneacute s niacutezkou uacutečinnostiacute konverze vodiacuteku zvyacutešili

67

pravděpodobnost že vodiacutek během klidneacuteho větru může dojiacutet Cena a spolehlivost palivovyacutech člaacutenků se musiacute vylepšit aby byl projekt tohoto typu komerčně uacutespěšnyacute Bylo takeacute doporučeno aby budouciacute projekty zahrnovaly viacutece obnovitelnyacutech zdrojů energie Uacutespěch projektu na ostrově Utsira demonstruje uskutečnitelnost kombinace obnovitelneacuteho zdroje energie a vodiacuteku v odlehlyacutech lokalitaacutech a noveacute možnosti použitiacute elektrolyzeacuterů v budouciacutech energetickyacutech systeacutemech Ekonomicky bude tento projekt daacutevat smysl pouze při dalšiacutem vyacutevoji součaacutestiacute systeacutemu je předpoklad že by tato podmiacutenka mohla byacutet splněna za 5 až 10 let

Obr 29 Projekt kombinujiacuteciacute větrnou energii a vodiacutek na ostrově Utsira [20]

68

6Přiacutepadovaacute studie

61Vyacuteběr lokace

Souhrnnaacute dlouhodobaacute data o větru v jedneacute lokaci je velmi složiteacute ziacuteskat Lokace pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny se vybiacuteraacute podle podrobneacute lokaacutelniacute větrneacute mapy jejiacutemž autorem je v Českeacute republice ČHMUacute Naacutesleduje faacuteze měřeniacute rychlosti větru přiacutemo v miacutestě potenciaacutelniacuteho umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Pravidelneacute měřeniacute směru a siacutely větru provaacutediacute ČHMUacute na svyacutech meteorologickyacutech staniciacutech Profesionaacutelniacutech stanic existuje 38 6 stanic spravuje armaacuteda a dalšiacutech 179 je stanic je dobrovolnickyacutech Vzhledem k uacuteplnosti dat jsem se v praacuteci rozhodl použiacutet data z meteorologickeacute stanice na letišti v Mošnově Stanice je primaacuterně určena pro informovaacuteniacute leteckeacuteho personaacutelu o počasiacute v bliacutezkosti letiště Diacuteky vstřiacutecnosti miacutestniacutech meteorologů jsem ziacuteskal data o rychlosti větru v roce 2006 Stanice je umiacutestěna přiacutemo na letištniacute ploše ve vyacutešce 3 m Samotneacute letiště Mošnov ležiacute v severovyacutechodniacute čaacutesti Českeacute republiky 20 km od města Ostravy Data

jsou umiacutestěna v souboru programu Excel jako přiacuteloha 1 Měřeniacute je provaacuteděno nepřetržitě a je vypočiacutetaacutevaacuten 15 sekundovyacute průměr kteryacute sloužiacute jako informace pro piloty Statisticky se zaznamenaacutevajiacute 3 měřeniacute denně Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny jsou potřebneacute dvě důležiteacute informace a to průměrnaacute rychlost větru vstr a standardniacute odchylka σw Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov vstr= 3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1

62 Větrnaacute turbiacutena

Pro tuto praacuteci bylo vybraacuteno jako vhodneacute řešeniacute použitiacute dvou stejnyacutech relativně menšiacutech větrnyacutech turbiacuten firmy Enercon Jmenovityacute vyacutekon turbiacuteny je 330 kW Pro uchyceniacute trojlisteacuteho rotoru o průměru 33 m je použit 50 m ocelovyacute stožaacuter Elektraacuterna je bezpřevodovkovaacute s proměnlivyacutemi otaacutečkami rotoru ktereacute se mohou pohybovat v rozmeziacute 15-45 otmin Hlavniacute ložiska jsou jednořadaacute kuželiacutekovaacute Enercon dodaacutevaacute vlastniacute generaacutetor Jednaacute se o prstencovyacute generaacutetor kteryacute je přiacutemo pohaněnyacutesynchronniacute s variabilniacute frekvenciacute Elektraacuterna je daacutele vybavena brzdou rotoru aretaciacute rotoru a třemi soběstačnyacutemi systeacutemy nastavovaacuteniacute listů s nouzovyacutem zdrojem Startovaciacute rychlost je 25 ms-1 jmenovitaacute rychlost 12 ms-1 a odpojovaciacute rychlost je 12 ms-1 Tabulka 7 uvaacutediacute hodnoty jmenoviteacuteho vyacutekonu elektraacuterny při danyacutech rychlostech větru

Rychlost větru [ms]

Vyacutekon [kW]

Kapacitniacute faktor [-]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 5 137 30 55 92 138 196 250 293 320 335 335 335 335

0 035 040 045 047 050 05 05 047 041 035 028 023 018 015

Tab 7 Vyacutekonoveacute charakteristiky turbiacuteny E33 [21]

69

Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny se potom určiacute pomociacute vyacutepočtu v programu Mathcad tento vyacutepočet je součaacutestiacute přiacutelohy 2 Pro určeniacute vyacutekonoveacute křivky použijeme tabulku 7 zobrazujiacuteciacute rychlost větru a jemu odpoviacutedajiacuteciacute vyacutekon Data proložiacuteme křivkou spline kteraacute je aproximaciacute tabulkovyacutech hodnot Použijeme funkci cspline kteraacute je v programu Mathcad definovaacutena Vyacuteslednaacute křivka je potom zobrazena na obraacutezku 30 Křivka je určena pro teplotu t=15degC a nadmořskou vyacutešku h=0 m

Obr 30 Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny E33

63 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov

Celyacute vyacutepočet je umiacutestěn v přiacuteloze 2 Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr= 3596 ms-1 standardniacute odchylky σw=254 ms-1 a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 1459

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 3969

Spektrum rozloženiacute hustoty rychlostiacute větru v daneacute lokalitě se popisuje pomociacute Weibullovy pravděpodobnostniacute funkce grafickeacute zobrazeniacute je na obraacutezku 31

70

f x( ) = kcsdot xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdotexp minus xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

Obr 31 Weibullova funkce pro letiště Mošnov

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě mošnovskeacuteho letiště je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 3 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 015 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 682m sdot sminus1

Rozdiacutel v průměrnyacutech rychlostech je převaacutežně způsoben působeniacutem mezniacute vrstvy u povrchu Země Hustota vzduchu v miacutestě instalace značně ovlivňuje vyacuteslednyacute vyacutekon větrneacute elektraacuterny proto je potřeba ji v celkoveacutem vyacutepočtu zohlednit Hustota vzduchu ρ [kgm3] je zaacutevislaacute předevšiacutem na teplotě t [degC] a nadmořskeacute vyacutešce Z [m] dle vztahu

ρ = 33505t + 2731

sdotexp minus981sdotZ287 sdot(t + 2731)

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

71

Dalšiacute veličinou kterou je před samotnyacutem vyacutepočtem určit je kapacitniacute faktor CFA [-] Kapacitniacute faktor je jinyacutem naacutezvem součinitel využitiacute a určuje zastoupeniacute času při ktereacutem jsou schopny větrneacute elektraacuterny byacuteti v provozu Tento součinitel zaacuteviacutesiacute na typu větrneacute elektraacuterny daacutele pak na maximaacutelniacute rychlosti větru Uf [ms] minimaacutelniacute rychlosti větru Uc [ms] naacutevrhoveacute rychlosti větru Ur [ms] a Weibullovyacutech faktorech c a k dle naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 029

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Mošnově použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 257 m průměrnaacute teplota t= 65 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=682 ms Pnom se potom rovnaacute 8447 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obraacutezku 32

Obr 32 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro mošnovskou lokalitu Pav= 24 445 W Ročniacute průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 24445 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na letišti v Mošnově je potom Pwf=44691 kW Tato hodnota je na vyacutekon 330kW elektraacuterny velmi niacutezkaacute instalace tedy postraacutedaacute ekonomickyacute smysl a je potřeba určit jineacute umiacutestěniacute instalace Dalšiacutem faktorem znemožňujiacuteciacutem instalaci větrnyacutech elektraacuteren je složitost stavebniacuteho řiacutezeniacute Vzhledem k ochraně letištniacuteho provozu by stavba musela splňovat velmi složitaacute kriteacuteria a byacutet umiacutestěna v dostatečneacute vzdaacutelenosti od letištniacute draacutehy kde už nemusejiacute rychlosti větru odpoviacutedat rychlostem měřenyacutem meteorologickou staniciacute přiacutemo

72

na letišti

64 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce

Obec Noveacute Dvorce na hranici Olomouckeacuteho a Moravskoslezskeacuteho kraje byla vybraacutena jako alternativniacute lokalita splňujiacuteciacute zaacutekladniacute požadavek o průměrneacute ročniacute rychlosti větru V lokalitě Červeneacuteho kopce kteryacute je v bliacutezkosti obce Noveacute Dvorce je umiacutestěno již v současneacute době 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele větrneacuteho parku a to firmy Větrnaacute energie HL sro je v lokalitě Červeneacuteho kopce průměrnaacute rychlost větru vstr= 74 ms-1 standardniacute odchylka σw=35 ms-1 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny v teacuteto lokalitě probiacutehaacute analogicky jako v předešleacute kapitole Prvniacute je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr standardniacute odchylky σw a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu Mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 2225

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 8355

Graf Weibullovy funkce je pro lokalitu Noveacute Dvorce je zobrazen na obraacutezku 32

Obr 32 Weibullova funkce pro lokalitu Noveacute Dvorce

73

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě Novyacutech Dvorců je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 10 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 025 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 10372m sdot sminus1

Kapacitniacute faktor je potom určen podle analogickeacuteho vztahu jako v předešleacute kapitole pro Noveacute Dvorce je kapacitniacute faktor teacuteměř dvojnaacutesobnyacute což znamenaacute zvyacutešeniacute celkoveacuteho vyacutekonu dodaacuteveneacuteho elektraacuternami

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 0474

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Novyacutech Dvorciacutech použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 580 m průměrnaacute teplota t= 73 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=10372 ms Pnom se potom rovnaacute 2467 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obr

Obr 34 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro lokalitu Noveacute Dvorce Pav= 116 845 W Ročniacute

74

průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 116845 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na Červeneacutem kopci je potom Pwf=23369 kW Vypočiacutetanyacute vyacutekon je průměrně dostupnyacute 1500 hodrok jak uvaacutediacute zdroj [2] Celkovaacute elektrickaacute energie vyprodukovanaacute za 1 rok se určiacute dle vztahu

W = PWT sdot1500 = 3505 times105 kWh rok

Takto vysokaacute hodnota je daacutena předevšiacutem vhodnostiacute vybraneacute lokality kapacitniacute faktor CFA se tudiacutež bliacutežiacute nejvyššiacutem hodnotaacutem kteryacutech je elektraacuterna E33 schopna dosaacutehnout a to CFAmax= 05

65 Elektrolyzeacuter

Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutemu rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute Po uvaacuteženiacute předešlyacutech informaciacute byl pro aplikaci vybraacuten vysokotlakyacute elektrolyzeacuter NELP40 firmy Norsk Hydro Elektrolyzeacuter NELP40 maacute vyacutejimečnyacute dynamickyacute rozsah a to mezi 10 až 100 instalovaneacuteho vyacutekonu při zachovaacuteniacute vysokeacute čistoty vodiacuteku Rychlost vyacuteroby vodiacuteku okamžitě reaguje na rychleacute změny přiacutekonu což je ideaacutelniacute vlastnost pro spojeniacute s větrnou energiiacute Elektrolyzeacuter je pod delšiacute dobu schopen byacutet v režimu stand-by což umožňuje okamžiteacute obnoveniacute vyacuteroby vodiacuteku v přiacutepadě dobryacutech větrnyacutech podmiacutenek Tabulka 8 ukazuje provozniacute charakteristiky tohoto elektrolyzeacuteru

Jmenovitaacute Kapacita

Dynamickyacute rozsah kapacity

Vyacutestupniacute tlak

Čistota vodiacuteku

40 Nm3hod (36 kghod)

10 - 100 jmenoviteacute kapacity

16 bar g (232 psi g)

999

75

Naacuteběhovyacute čas ze stand-by do max kapacity

Reakce na dynamickou změnu zatiacuteženiacute

Okolniacute teplota

Kontrolniacute systeacutem

Elektrolyt

Potřebneacute napět

Frekvence zdroje

Spotřeba energie na Nm3 H2

Spotřeba vody na Nm3 H2

Vyacutekon potřebnyacute k maximaacutelniacute produkci

Vodivost vody

Průtok chladiacuteciacute vody

Teplota chladiacuteciacute vody

lt 3 sekundy

lt 1 sekunda

-20degC - +40degC

automatickyacute daacutelkovyacute monitoring a ovlaacutedaacuteniacute

32 vodnyacute roztok KOH

400 V

50 Hz

48 KWh

09 litru

192 kW

lt 5 microScm

15 m3hod při max kapacitě

lt 25degC

Tab 8 Provozniacute charakteristiky NELP40 [5]

Pro vyacutepočet celkoveacuteho množstviacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku danyacutem elektrolyzeacuterem vyjdeme z provozniacutech charakteristik elektrolyzeacuteru a celkoveacute elektrickeacute energie vyprodukovaneacute za 1 rok našimi větrnyacutemi elektraacuternami Vyacutepočet proveden v přiacuteloze 3 Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku VH potřebneacute množstviacute vody VV a hmotnost vyprodukovaneacuteho vodiacuteku mH je potom

VH = 73030Nm3H2 rokmH = 6573kg rokVV = 65730l rok

Pokud chceme vyčiacuteslit cenu produkce 1 kg vodiacuteku musiacuteme v prvniacutem kroku zařadit větrneacute podmiacutenky v našiacute lokalitě zařadit do kategorie klasifikace větrneacute energie podle obraacutezku 33

76

Obr 33 Klasifikace větrneacute energie [22]

Středniacute rychlost větru pro lokalitu Novyacutech Dvorců je vstr=74 ms-1 nicmeacuteně hustota větrneacute energie je odhadem nižšiacute proto naše lokalita spadaacute do kategorie 6 Podle obraacutezku 34 pak můžeme určit cenovyacute interval vyacuteroby 1 kg vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech Dle obraacutezku je nejnižšiacute možnaacute cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku lehce pod 3 dolary neboli 59 Kč

Obr 34 Cena elektrolytickeacute vyacuteroby 1 kg vodiacuteku dle třiacuted větrneacute energie [22]

66 Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta

Vodiacutek neniacute zdrojem ale přenašečem energie Užitiacute vodiacuteku neniacute omezeno pouze na palivoveacute člaacutenky vodiacutek je vyacutehodneacute palivo i pro klasickeacute spalovaciacute (benziacutenoveacute i naftoveacute) motory Užitiacutem vodiacuteku ve spalovaciacutech motorech vznikajiacute NOx i když jako jedineacute polutanty Diacuteky mnohem menšiacutem naacutekladům na uacutepravu spalovaciacutech motorů pro provoz na vodiacutekoveacute palivo v porovnaacuteniacute s palivovyacutemi člaacutenky se jeviacute varianta spalovaacuteniacute vodiacuteku v nich jako přechodně preferovanějšiacute řešeniacute do doby vyacuterazneacuteho sniacuteženiacute naacutekladů na palivoveacute člaacutenky nebo do doby zvyacutešeniacute jejich uacutečinnosti

77

Pro budouciacute hlavniacute vyacuterobu vodiacuteku prostřednictviacutem elektrolyacutezy vody je nutnyacute dalšiacute vyacuteznamnyacute energetickyacute nosič - elektřina Obdobně jako u elektřiny vyacutehody užitiacute vodiacuteku zaacutevisiacute na tom jak je vodiacutek vyraacuteběn Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny např vyraacuteběneacute z uhliacute zvyacutešiacute se sice bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute ale vyacuterazně se zvyacutešiacute emise CO2 Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny z obnovitelnyacutech zdrojů zvyacutešiacute se bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute a sniacutežiacute emise CO2 ale přidaacutevajiacute se dalšiacute vlivy tohoto způsobu vyacuteroby elektřiny (omezenost obnovitelnyacutech zdrojů) Umiacutestěniacute dostatečneacuteho množstviacute paliva ve vozidle je dalšiacute probleacutem kteryacute dnes neniacute uspokojivě vyřešen Hlavniacute vyacutehodou vodiacuteku jako energetickeacuteho nosiče je že nabiacuteziacute cestu k decentralizovaneacutemu energetickeacutemu trhu na baacutezi nefosilniacutech paliv Vodiacutek je možneacute použiacutevat ve vozidle jako palivo bud přiacutemo ve spalovaciacutem motoru nebo jako zdroj elektrickeacute energie v palivoveacutem člaacutenku v elektromobilu Při vyacuterobě vodiacuteku elektrolyacutezou vody použitiacutem elektrickeacute energie vyrobeneacute z obnovitelnyacutech zdrojů je vodiacutek nejčistšiacutem současnyacutem palivem Z hlediska snižovaacuteniacute emisiacute skleniacutekovyacutech plynů je podstatneacute že automobily jezdiacuteciacute na vodiacutek oproti elektromobilům využiacutevajiacuteciacutech elektřinu z fosilniacutech paliv nevytvaacuteřiacute žaacutedneacute emise oxidu uhličiteacuteho Použitiacute vzduchu jako palivoveacute složky při využitiacute niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků nepřinaacutešiacute emise NOx Probleacutemy s bezpečnostiacute a cena vozidel s přiacutemyacutem spalovaacuteniacutem vodiacuteku jsou však hlavniacute důvody proč se současnyacute vyacutevoj využitiacute vodiacuteku v automobilech orientuje spiacuteše na palivoveacute člaacutenky kde se vodiacutek využiacutevaacute na vyacuterobu elektrickeacute energie Nicmeacuteně se zaměřiacuteme na použitiacute vodiacuteku ve spalovaciacutem motoru a to převaacutežně z důvodu možneacuteho rychleacuteho nasazeniacute do provozu jelikož uacuteprava spalovaciacuteho motoru neniacute komplikovanaacute a byla už reaacutelně předvedena Dalšiacutem důvodem je cena automobil vybavenyacute palivovyacutemi člaacutenky o stejneacutem vyacutekonu jako 2 litrovyacute benzinovyacute motor maacute desetinaacutesobnou cenu celkovyacutech naacutekladu na konverzi auta se spalovaciacutem motorem [23] Palivovyacute systeacutem motoru je vybaven elektronickyacutem směšovaciacutem systeacutemem kteryacute určuje směšovaciacute poměr vodiacuteku a vzduchu Spalovaacuteniacute probiacutehaacute s přebytkem vzduchu Přiacutedavnyacute vzduch ve spalovaciacutem prostoru odniacutemaacute teplo a tiacutem klesaacute teplota plamene pod kritickou mez nad niž by se směs mohla sama vzniacutetit Vznikajiacuteciacute oxidy dusiacuteku (NOx) jsou neutralizovaacuteny v redukčniacutem katalyzaacutetoru Bez dalšiacutech přiacutedavnyacutech zařiacutezeniacute pracujiacute vodiacutekoveacute motory prakticky bez emisiacute oproti benzinu jsou všechny emisniacute komponenty sniacuteženy až o 999 [23]

661 Koncept Fordu Focus s vodiacutekovyacutem palivem

Projekt uacutepravy seacuteriově vyraacuteběneacuteho Fordu Focus byl koordinovaacuten daacutenskou nevlaacutedniacute organizaciacute Folkencenter kteraacute byla založena v roce 1983 Hlavniacute naacuteplniacute teacuteto organizace je vyacutevoj testovaacuteniacute a demonstrovaacuteniacute technologiiacute využiacutevajiacuteciacute obnovitelneacute zdroje energie Standardniacute Ford Focus s 2 litrovyacutem benziacutenovyacutem motorem byl konvertovaacuten na použitiacute vodiacuteku jako paliva Vysokotlakaacute naacutedrž na vodiacutek o objemu 90 l byla uložena do zadniacute čaacutesti automobilu Bezpečnostniacute a ovlaacutedaciacute prvky byly speciaacutelně vyvinuty Scheacutema systeacutemu je na obraacutezku 35

78

Obr 35 Scheacutema konceptu vodiacutekoveacuteho Fordu Focus [23]

Motor konceptu je startovaacuten pomociacute benziacutenu a po dostatečneacutem zvyacutešeniacute otaacuteček je automaticky přepnut na vodiacutekoveacute palivo Toto uspořaacutedaacuteniacute umožňuje plynuleacute starty a nabiacuteziacute možnost cestovaacuteniacute na delšiacute trasy za použitiacute konvenčniacutech paliv Modifikace byly provedeny na hlavě vaacutelce Palivovyacute systeacutem vodiacuteku byl nově vyvinut přesneacute elektronickeacute řiacutezeniacute motoru je založeno na rychlosti a zatiacuteženiacute motoru Maximaacutelniacute vyacutekon 46 k dostaneme při 4600 otm což umožňuje vyvinout rychlost až 110 kmh Vyacutekonovaacute křivka motoru je na obraacutezku 36

Obr 36 Porovnaacuteniacute vyacutekonu motoru Fordu Focus při použitiacute vodiacuteku a benziacutenu jako paliva [23]

79

662 Průměrnaacute spotřeba vodiacuteku jako paliva

Pro analyacutezy využitiacute vodiacuteku jako paliva a plaacutenovaacuteniacute spraacutevneacuteho rozvrženiacute čerpaciacutech stanic jsou elektrolytickeacute systeacutemy kategorizovaacuteny do naacutesledujiacuteciacutech kategoriiacute dle [24]

bull Domaacuteciacute velikost poskytne palivo pro 1-5 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 200-1000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho sousedstviacute poskytne palivo pro 5-50 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 1000-10000 kg H2rok

bull Velikost sousedstviacute poskytne palivo pro 50 - 150 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 10000-30000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho předměstiacute což může reprezentovat stojan u staacutevajiacuteciacutech benzinovyacutech pump poskytuje palivo pro 150-500 aut a produkce vodiacuteku dosahuje 30000-100000 kg H2rok

bull Velikost předměstiacute poskytne palivo pro viacutece než 500 automobilů za rok a produkce vodiacuteku bude většiacute než 100000 kg H2rok

Počet aut byl určen vyacutepočtem kteryacute předpoklaacutedaacute spotřebu jednoho auta na 200 kg vodiacuteku za rok Spotřeba 200 kg vodiacuteku předpoklaacutedaacute že auto ujede ročně průměrně 19000 km a průměrnaacute spotřeba bude 104 kg vodiacuteku na 100 km Při použitiacute stejnyacutech předpokladů a a použitiacute množstviacute naacutemi vyrobeneacuteho vodiacuteku a to mH=6573 kg může systeacutem instalovanyacute v Novyacutech Dvorciacutech pokryacutet ročniacute spotřebu až 32 automobilů Při zahrnutiacute informaciacute o naacutekladoveacute ceně na vyacuterobu jednoho 1kg paliva a průměrneacute spotřebě automobilu viz přiacuteloha 3 by cena na ujetiacute jednoho kilometru byla 061 Kč Tato cena nereflektuje daň spotřebniacute ani daň z přidaneacute hodnoty

663 Bezpečnostniacute zaacutesady

Vodiacutek je velmi lehkyacute a hořlavyacute plyn kteryacute ve spojeniacute se vzduchem vytvaacuteřiacute vyacutebušnou směs proto je potřeba dodržovat při konstrukci a provozu systeacutemů využiacutevajiacuteciacutech vodiacutek určiteacute bezpečnostniacute zaacutesady a postupy jako napřiacuteklad

bull Dokonale utěsněneacute trubkoveacute prostupy do zařiacutezeniacute a budovbull Použiacutevat bezpečnaacute zařiacutezeniacute ktereacute neprodukujiacute jiskry (osvětleniacute topeniacute

klimatizace)bull Ověřovaacuteniacute diferenčniacutech tlaků použiacutevaacuteniacute ventilaacutetorůbull Použiacutevaacuteniacute panelů miacuterniacuteciacutech přiacutepadnyacute vyacutebuchbull Testovaacuteniacute vodiacutekoveacuteho potrubiacute na tlakoveacute ztraacutety a uacutenikbull Potrubiacute a tlakoveacute naacutedoby profukovat dusiacutekem před manipulacemi s

armaturami aby jsme minimalizovali pravděpodobnost vytvořeniacute hořlaveacute směsi mezi vodiacutekem a vzduchem

Nouzoveacute vypiacutenače

Pro zajištěniacute rychleacute odstaacutevky vyacuteroby by měly byacutet v miacutestě instalace umiacutestěny nouzoveacute vypiacutenače Spraacutevneacute umiacutestěniacute samozřejmě zaacutevisiacute na konkreacutetniacutem provedeniacute systeacutemu Pro vyacuterobu vodiacuteku pomociacute elektrolyzeacuteru by měly byacutet umiacutestěny řiacutediacuteciacute budově na PLC skřiacuteni dalšiacute vhodneacute miacutesto je mimo hlavniacute vstup do produkčniacute budovy v produkčniacute budově opět umiacutestěniacute v bliacutezkosti PLC skřiacuteně

80

Aktivace nouzoveacuteho vypiacutenače by mělo naacutehle ukončit produkci vodiacuteku nebo odstavit proud přechaacutezejiacuteciacute do elektrolyzeacuteru Aktivace zavře pneumatickyacute ventil tak aby došlo k izolaci vysokotlakeacuteho vodiacuteku uloženeacuteho v zaacutesobniacuteku Naacutemi použityacute alkalickyacute elektrolyzeacuter ukončiacute svou činnost okamžitě po odstaveniacute probiacutehaacute promyacutevaacuteniacute dusiacutekem ktereacute trvaacute 10 až 15 minut

Detekce vodiacuteku

Produkčniacute budova a kompresorovna by měly miacutet vodiacutekoveacute detektory Vodiacutekoveacute detektory začnou vydaacutevat alarm když koncentrace vodiacuteku překročiacute 10 Detektory jsou kontinuaacutelně sledovaacuteny PLC ktereacute v přiacutepadě zvyacutešeniacute koncentrace odstaviacute vyacuterobu vodiacuteku a spustiacute alarm

Ventilace

Odsaacutevaciacute ventilaacutetor instalovaacuten do produkčniacute i kompresoroveacute budovy je v provozu kontinuaacutelně aby se zabraacutenilo nahromaděniacute unikajiacuteciacuteho vodiacuteku Odsaacutevaciacute ventilaacutetor je v provozu pokud probiacutehaacute vyacuteroba vodiacuteku Elektrolyzeacuter i kompresor jsou pozastaveny dokud nebude dosaženo na odsaacutevaciacutem ventilaacutetoru potřebneacute diferenciace tlaku kteryacute indikuje dostatečnyacute průtok vzduchu Tlaky jsou opět monitorovaacuteny PLC ktereacute zastaviacute vyacuterobu v přiacutepadě poklesu rozdiacutelu tlaku

Požaacuterniacute detekce

Protipožaacuterniacute ochrana se obvykle sklaacutedaacute ze dvou požaacuterniacutech hlaacutesičů odolaacutevajiacuteciacutech počasiacute a dvou optoelektronickyacutech detektorů kouře V produkčniacute budově jsou umiacutestěny UVIR detektory a detektory monitorujiacuteciacute tepelnyacute vyacutekon Všechny veškereacute detektory jsou spojeny s PLC ktereacute v přiacutepadě detekce požaacuteru odstaviacute vyacuterobu

81

Zaacutevěr

Praacutece teoreticky nastiňuje možnosti použitiacute hybridniacuteho systeacutemu spojeniacute dvou menšiacutech větrnyacutech elektraacuteren firmy Enercon o jmenoviteacutem vyacutekonu 330 kW a alkalickeacuteho elektrolyzeacuteru NELP40 firmy Norsk Hydro Zaacutekladniacutem krokem vyacutepočtu je nalezeniacute vhodneacute lokality umiacutestěniacute větrnyacutech elektraacuteren Prvotniacute vyacuteběr se provaacutediacute pomociacute větrneacute mapy kterou distribuuje ČHMUacute V našem přiacutepadě byla vybraacutena lokalita letiště v Mošnově Druhyacutem krokem je měřeniacute přiacutemo v miacutestě umiacutestěniacute potenciaacutelniacute větrneacute elektraacuterny Pro tento krok byly využity data dodanaacute miacutestniacute meteorologickou staniciacute Data se statisticky zpracovala a ukaacutezala naacutem zaacutekladniacute vlastnosti větru v mošnovskeacute lokalitě Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov je vstr=3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1 Tyto hodnoty jsou měřeny ve vyacutešce 3 m nad tereacutenem Pomociacute těchto hodnot byly určeny hodnoty tvaroveacuteho Weibull parametru k=1459 a rozměroveacuteho Weibull parametru c=3969 ms-1 Jelikož budou rotory větrneacute elektraacuterny umiacutestěny ve vyacutešce 44 m je potřeba přepočiacutetat průměrnou rychlost větru praacutevě pro 44 m průměrnaacute rychlost větru ve 44 m je potom Ur=682 ms-1 Jedniacutem ze zaacutekladniacutech faktorů ukazujiacuteciacutech kvalitu umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny je tzv kapacitniacute faktor CFA=029 tato hodnota je relativně niacutezkaacute a dalo se tedy předpoklaacutedat že lokalita v Mošnově neniacute ideaacutelniacutem miacutestem pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Domněnka byla potvrzena po dopočiacutetaacuteniacute celkoveacuteho vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren Pwf=44691 kW Tato hodnota je velmi niacutezkaacute pokud vezmeme v potaz celkovyacute nominaacutelniacute vyacutekon obou elektraacuteren kteryacute je 660 kW Podle větrneacute mapy byly vybraacuteny Noveacute Dvorce jako alternativniacute možnost umiacutestěniacute našich elektraacuteren Shodou okolnostiacute toto miacutesto již využiacutevaacute společnost Větrnaacute energie HL sro kteraacute zde umiacutestila 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele byla v miacutestě naměřena průměrnaacute rychlost větru vstr=74 ms=1 a standardniacute odchylka je potom σw=35 ms-1 Tyto hodnoty byly měřeny ve vyacutešce 10 m Vyacutepočet probiacutehal analogicky jako v prvniacutem přiacutepadě Kapacitniacute faktor CFA=0474 Stejně jako v předešleacutem přiacutepadě se dalo tušit že celkovyacute vyacutekon bude vysokyacute maximaacutelniacute kapacitniacute faktor pro větrnou elektraacuternu Enercon E33 je totiž 05 Celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren je v tomto přiacutepadě Pwf=23369 kW což je velmi dobraacute hodnota Předpoklaacutedaacute se že dostupnost tohoto vyacutekonu je 1500 hodin ročně celkovaacute vyrobenaacute elektrickaacute energie W=3505x105 kWhrok Elektrickaacute energie je spotřebovaacutena elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro kteryacute je pomociacute niacute schopen vyrobit mh=6573 kgrok Pro zjištěniacute naacutekladoveacute ceny je prvně potřeba klasifikovat větrneacute podmiacutenky podle zdroje [22] naše lokalita spadaacute do 6 kategorie a cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku je tedy 59 Kč Vodiacutek je daacutele použit jako palivo pro automobily ktereacute použiacutevajiacute konvenčniacute spalovaciacute motory upraveneacute pro spalovaacuteniacute vodiacuteku jako paliva Předpoklaacutedaacuteme že průměrnaacute spotřeba vodiacuteku na jedno auto a rok je 200 kg vodiacuteku Předpoklad zahrnuje ujetiacute 19 000 km za rok a průměrneacute spotřeby 104 kg vodiacuteku na 100 km Produkce vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech by pokryla provoz až 32 automobilů Naacutekladovaacute cena na ujetiacute 1 km by byla 061 Kč naacutekladovaacute cena pro benzinovyacute je průměrně 120 Kč Tyto ceny nereflektujiacute vyacuteši spotřebniacute daně a daně z přidaneacute hodnoty Zejmeacutena u daně z přidaneacute hodnoty se daacute předpoklaacutedat daňoveacute zvyacutehodněniacute pro vodiacutekovyacute pohon jelikož tento způsob vyacuteroby a využitiacute vodiacuteku neuvolňuje žaacutedneacute emise

82

Seznam použiteacute literatury

[1] Lakva P Netradičniacute využitiacute větrneacute energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2009 38 s Vedouciacute bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

[2] Rychetniacutek V Pavelka J Větrneacute motory a elektraacuterny ČVUT Praha 1997

[3] Wind energy [online] [citovaacuteno 2012-10-10] Dostupneacute z lthttpwwwgreenrhinoenergycomrenewablewindgt

[4] Luťcha J Hybridniacute soustava větrneacute elektraacuterny a fotovoltaickyacutech člaacutenků KG Process Innovations Brno 2009

[5] Norwegian Electrolysers [online] [citovaacuteno 2012-04-22] Dostupneacute z lthttpwwwnel-hydrogencomgt

[6] Sherif S A Barbir F Veziroglu T N Wind energy and the hydrogen economy-review of the technology Elsevier 2005

[7] Gupta R Hydrogen fuel production transport and storage San Francisco 2008 ISBN 978-1-4200-4575-8

[8] Sobotka K A wind power fuel cell hybrid system study University of Akureyri 2009

[9] Richard S A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles Universiteacute Laval 1996

[10] Agbossou K Chahine R Hamelin J Renewable energy systems based on hydrogen for remote applications Journal of Power Sources New York 2001

[11] Vijayaraghavan K Trends in biological hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy Rennes 2004

[12] Horaacutek B Koziorek J Kopřiva M Studie pohonu mobilniacuteho prostředku s palivovyacutem člaacutenkem VŠB TU Ostrava 2005

[13] Celik AN On the distributional parameters used in assessment of the suitability of wind speed probability density functions Energy Convers Manag Istanbul 2004 [14] Stolten D Krieg D Weber M An Overview on Water Electrolysis Juelich Research Center Berlin 2010

[15] Bourgeois R Advanced Alkaline Electrolysis GE Global Research Center New York 2006

[16] Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav [online] [citovaacuteno 2013-04-21] Dostupneacute z lthttpwwwchmiczgt

83

Obsah

Seznam použityacutech zkratek 10

Seznam použityacutech symbolů 11

Uacutevod 12

1Větrnaacute energie 14

11Větrneacute turbiacuteny 17

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek 18

2Elektrolyacuteza 24

21Princip elektrolyacutezy 24

22Typy elektrolyacutezy 25

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů 29

24Uacutečinnost elektrolyacutezy 31

25Napětiacute člaacutenků 31

26Vliv provozniacutech podmiacutenek 32

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku 33

3Metody uskladněniacute vodiacuteku 35

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu 37

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu 40

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů 42

34Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku 45

4Palivoveacute člaacutenky 47

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků 47

42Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků 48

43Princip funkce palivovyacutech člaacutenků 49

44Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků 51

45Typy palivovyacutech člaacutenků 52

8

46Systeacutem palivovyacutech člaacutenků 63

5Instalace ve světě 66

6Přiacutepadovaacute studie 69

61Vyacuteběr lokace 69

62Větrnaacute turbiacutena 69

63Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov 70

64Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce 73

65Elektrolyzeacuter 75

66Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta 77

Zaacutevěr 82

Seznam použiteacute literatury 83

Seznam přiacuteloh 85

9

Seznam použityacutech zkratek

AFC Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

ČHMUacute Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav

HF Vodiacutekovyacute filtr

ICI Imperial chemical industries

IR Infračerveneacute zaacuteřeniacute

MEA Membraacutenoveacute uskupeniacute

MCFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů

NASA Naacuterodniacute uacuteřad pro letectviacute a kosmonautiku

NHL Niacutezkyacute horniacute limit

OF Kysliacutekovyacute filtr

PAFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute

PEM Palivovyacute člaacutenek s polymerniacute membraacutenou

PLC Programovatelnyacute logickyacute automat

SOFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů

UV Ultrafialoveacute zaacuteřeniacute

VHL Vysokyacute horniacute limit

10

Seznam použityacutech symbolů

Symbol Vyacuteznam Jednotka

c Rozměrovyacute Weibull parametr -

CFA Kapacitniacute faktor -

CFAmax Maximaacutelniacute kapacitniacute faktor -

hrf Referenčniacute vyacuteška m

k Tvarovyacute Weibull parametr -

mH Hmotnost vyrobeneacuteho vodiacuteku kg

Pav Vyacutekon v naacutevrhoveacutem bodě kW

Pnom Nominaacutelniacute vyacutekon větrneacute turbiacuteny kW

Pwt Vyacutekon jedneacute větrneacute turbiacuteny kW

Pwf Vyacutekon obou větrnyacutech turbiacuten kW

Rgh Deacutelka turbulence -

Ur Naacutevrhovaacute rychlost větru ms-1

VH Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku za rok Nm3rok

vstr Středniacute rychlost větru ms-1

VV Objem vody potřebneacute k elektrolyacuteze l

Z Nadmořskaacute vyacuteška m

σw Standardniacute odchylka ms-1

Ostatniacute zde neuvedeneacute symboly jsou systematicky vysvětlovaacuteny v textu diplomoveacute praacutece

11

Uacutevod

Plneacute vyacutehody využitiacute vodiacuteku jako udržitelneacuteho zdroje paliva mohou byacutet dosaženy pouze v přiacutepadě že vodiacutek je produkovaacuten z obnovitelnyacutech zdrojů energie Využitiacute větrneacute a solaacuterniacute energie zaznamenalo v posledniacutech letech velkyacute pokrok Tento pokrok znamenaacute sniacuteženiacute ceny energie vyrobeneacute z těchto zdrojů Velmi často jsou takoveacute zdroje energie široce dostupneacute pokud napřiacuteklad bereme v uacutevahu Evropu jako celek v samotneacute Českeacute republice jsou možnosti využitiacute větru a slunečniacute energie relativně maleacute vzhledem k celkoveacute energetickeacute poptaacutevce na našem trhu Obnovitelneacute zdroje energie se mohou uplatnit v odlehlyacutech oblastech nebo v oblastech kde neniacute dostatečně vybudovaacutena elektrickaacute siacuteť a pokryacutet lokaacutelniacute energetickeacute požadavky Provoz solaacuterniacutech a větrnyacutech systeacutemů vysoce zaacutevisiacute na meteorologickyacutech podmiacutenkaacutech a tiacutem paacutedem je produkce elektřiny proměnnaacute v čase a často nereflektuje energetickeacute požadavky Řešeniacute tohoto probleacutemu je uloženiacute energie Energie se nejčastěji uklaacutedaacute pomociacute bateriiacute Baterie rychle ztraacuteciacute uloženou energii a mohou byacutet použity pouze v relativně kraacutetkeacutem časoveacutem uacuteseku Baterie majiacute takeacute limitovanou životnost Lepšiacute možnostiacute uloženiacute energie se jeviacute využitiacute vodiacutek jako nositele energie Molekulaacuterniacute vodiacutek v přiacuterodě neexistuje musiacute byacutet ziacuteskaacuten jinyacutemi způsoby Jedinaacute skutečně vyspělaacute technologie ziacuteskaacutevaacuteniacute vodiacuteku z obnovitelnyacutech zdrojů energie je elektrolyacuteza vody při ktereacute je molekula vody rozdělena na kysliacutek a vodiacutek použitiacutem elektrickeacute energie Elektrolyzeacutery jsou založeny na alkalickyacutech elektrolytech nebo protonoveacute membraacuteně kde je použit materiaacutel Nafion jako elektrolyt Stejnyacute materiaacutel je použit jako elektrolyt i v PEM palivovyacutech člaacutenciacutech Systeacutem elektrolyacutezy vody se sklaacutedaacute z elektrolytickyacutech člaacutenků nebo modulů fluidniacuteho subsysteacutemu dodaacutevajiacuteciacuteho vodu do člaacutenku a odvaacutedějiacuteciacuteho plyny ze člaacutenku a elektrickeacuteho subsysteacutemu Hlavniacutemi komponenty vodniacute elektrolyacutezy katoda anoda a separaacutetor Anoda a katoda musiacute byacutet odolneacute korozi a musiacute byacutet dobryacutemi elektrickyacutemi vodiči Kapacita produkce vodiacuteku pomociacute elektrolyacutezy se může pohybovat řaacutedově od několika cm3min až do tisiacuteců m3h Uacutečinnost procesu se řaacutedově pohybuje kolem 70 Proces elektrolyacutezy požaduje vysokou energetickou hustotu takže proce může byacutet velice drahyacute Vyacuteroba levneacuteho vodiacuteku může byacutet dosažena použitiacutem mimo-špičkoveacute elektrickeacute energie kdy je přebytek energie ze solaacuterniacutech panelů nebo větrneacute elektraacuterny použit pro proces elektrolyacutezy Vodiacutek je nejčastěji uložen ve formě stlačeneacuteho plynu v tlakovyacutech naacutedobaacutech ale existujiacute i dalšiacute možnosti uloženiacute vyrobeneacuteho vodiacuteku (v kapalneacutem stavu v pevnyacutech hydridech kovu a nebo v kapalnyacutech nosičiacutech např metanolu) V obdobiacute elektrickyacutech špiček ale při špatnyacutech povětrnostniacutech podmiacutenkaacutech může byacutet vodiacutek použit jako palivo do vysoce efektivniacutech palivovyacutech člaacutenků k uspokojeniacute elektrickeacute poptaacutevky Vodiacutek vyprodukovanyacute větrnou energiiacute lze použiacutet jako alternativniacute palivo do aut Hlavniacutemi průkopniacuteky použiacutevaacuteniacute vodiacuteku v automobiloveacutem průmyslu jsou značky BMW a Toyota Palivoveacute člaacutenky jsou zařiacutezeniacute produkujiacuteciacute elektrickou energii tak dlouho dokud je zajištěna dodaacutevka vodiacuteku jako paliva Člaacutenky pracujiacute na na přiacutemeacute elektrochemickeacute konverzi paliva dosahujiacute tak vysokeacute uacutečinnosti dosahujiacuteciacute 40 Systeacutemy využiacutevajiacuteciacute vodiacutek nabiacuteziacute flexibilitu v dimenzovaacuteniacute diacuteky modularitě elektrolyzeacuterů palivovyacutech člaacutenků a uskladněniacute vodiacuteku Komplikovanost systeacutemu založeneacuteho na vodiacuteku je velmi vysokaacute Pro zajištěniacute kontinuaacutelniacutech dodaacutevek je potřeba zajistit kvalitniacute management energetickyacutech toků mezi jednotlivyacutemi složkami systeacutemu

12

Provoz elektrolyzeacuteru a palivovyacutech člaacutenků v kombinaci s obnovitelnyacutemi zdroji energie přinaacutešiacute několik probleacutemu Prvniacutem probleacutemem je určeniacute velikosti elektrolyzeacuteru vzhledem k vyacutekonu větrneacute elektraacuterny nebo poli solaacuterniacutech panelů Jednou možnostiacute je navrhnout velikost elektrolyzeacuteru tak aby byl schopen přijmout veškeryacute vyacutekon vyprodukovanyacute vyacutekon nebo použiacutet elektrolyzeacuter s vyacutekonem nižšiacutem než je maximum zdroje V prvniacutem přiacutepadě bude elektrolyzeacuter pracovat se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem jako zdroj Toto řešeniacute je ovšem cenově meacuteně konkurenceschopneacute Druhaacute instalace je ekonomicky vyacutehodnějšiacute jelikož elektrolyzeacuter pracuje při vyššiacute kapacitě ale čaacutest elektrickeacute energie musiacute byacutet využito jinyacutem způsobem než pro vyacuterobu vodiacuteku Provoz elektrolyzeacuteru v kombinaci s obnovitelnyacutem zdrojem energie maacute několik probleacutemů ktereacute je potřeba řešit Obnovitelneacute zdroje jsou velmi nestaacuteleacute zdroje energie takto produkovaacutena může značně koliacutesat hodinu od hodiny den od dne obdobiacute od obdobiacute nebo rok od roku Proměnnyacute přiacutekon může způsobit probleacutemy s termoregulaciacute elektrolyzeacuteru Spraacutevnyacute provoz elektrolyzeacuteru zaacutevisiacute na předpoviacutedatelnyacutech pracovniacutech teplotaacutech Elektrolyzeacutery potřebujiacute určitou dobu na zahřaacutetiacute a provoz pod nominaacutelniacutem přiacutekonem může způsobit nižšiacute provozniacute teploty ktereacute majiacute za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti Komprese vodiacuteku se provaacutediacute piacutestovyacutemi a odstředivyacutemi kompresory Spotřeba kompresoru zaacutevisiacute na tlakoveacutem poměru proto je potřeba uvažovat o tlakovyacutech elektrolyzeacuterech ktereacute mohou sniacutežit celkovou spotřebu energie systeacutemu Sniacuteženiacute spotřeby je důsledkem odstraněniacutem elektrickeacute energie potřebneacute pro mechanickou kompresi Při elektrolyacuteze vznikaacute kromě vodiacuteku takeacute kysliacutek Kysliacutek je převaacutežně vypouštěn ze systeacutemu může byacutet použit při provozu palivoveacuteho člaacutenku zlepšuje totiž jeho vyacutekon Cena kysliacuteku je asi 4x menšiacute než cena vodiacuteku takže je potřeba zvaacutežit zda se vyplatiacute kysliacutek uklaacutedat při dalšiacutech naacutekladech Produkce vodiacuteku požaduje dostatečneacute množstviacute čisteacute vody Nečistoty obsaženeacute ve vodě mohou vyacuteznamně ovlivnit životnosti elektrolytickyacutech člaacutenků Voda je obvykle čištěna přiacutemo na miacutestě instalace čištěniacute vody může byacutet dalšiacutem naacutekladem při produkci vodiacuteku Při provozu elektrolyzeacuteru nastaacutevaacute kraacutetkodobeacute zvyšovaacuteniacute napětiacute způsobeneacute ustaveniacutem rovnovaacutehy obsahu vody v membraacuteně a oxidaciacute katalyzaacutetoru a dalšiacutech kovovyacutech komponentů Současneacute palivoveacute člaacutenky majiacute relativně kraacutetkou životnost kvůli degradaci membraacuteny Životnost elektrolyzeacuteru a palivoveacuteho člaacutenku je potřeba zohlednit při naacutevrhu systeacutemu Dalšiacutem velmi důležityacutem probleacutemem tyacutekajiacuteciacutem se vodiacuteku je bezpečnost Nespraacutevneacute zachaacutezeniacute a skladovaacuteniacute může způsobit určiteacute nebezpečiacute protože vodiacutek maacute niacutezkou teplotu vzniacuteceniacute a je velmi hořlavyacute Plamen hořiacuteciacuteho vodiacuteku je teacuteměř neviditelnyacute lehce tak může způsobit zraněniacute jelikož je těžce pozorovatelnyacute Vodiacutek je těkavyacute a neniacute toxickyacute Naacuteležitaacute ochrana a spraacutevneacute použitiacute systeacutemů využiacutevajiacuteciacute vodiacutek by mělo zaručit bezpečnost a spraacutevnou funkci

13

1Větrnaacute energie

Větrnaacute energie je energie pohybujiacuteciacute se vzduchoveacute masy Pohyb vzduchoveacute masy je způsoben rozdiacutelem teplot v atmosfeacuteře Slunečniacute zaacuteřeniacute ohřiacutevaacute vzduch kteryacute naacutesledně stoupaacute do vyššiacutech pater atmosfeacutery Tento pohyb vzduchu maacute za naacutesledek vytvořeniacute zoacuten nižšiacuteho tlaku vzduchu Tok vzduchu tzn viacutetr tyto tlakoveacute diference vyrovnaacutevaacute Větrnaacute energie je slunečniacute energie přeměněnaacute na kinetickou energii pohybujiacuteciacuteho se vzduchu Větrnaacute energie je globaacutelně nejrychleji rostouciacute sektor vyacuteroby energie z obnovitelnyacutech zdrojů Instalovanyacute vyacutekon v zemiacutech Evropskeacute unie dosaacutehl v roce 2012 100 GW polovina teacuteto kapacity byla instalovanaacute v posledniacutech 6 letech Obraacutezek 1 ukazuje vyacutevoj instalovaneacuteho vyacutekonu

Obr 1 Instalovanyacute vyacutekon větrnyacutech elektraacuteren v EU [14]

Větrneacute elektraacuterny tohoto vyacutekonu jsou schopny pokryacutet potřebu elektrickeacute energie pro 57 milioacutenů domaacutecnostiacute Ekvivalentniacute vyacutekon v uhelnyacutech elektraacuternaacutech by byl dosažen po spaacuteleniacute 72 milioacutenů tun uhliacute což představuje cca 750 000 vagoacutenůI přes tento rozvoj pouze vybraneacute lokality majiacute charakteristiky rychlosti a staacutelosti větru vhodneacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Hraniciacute ekonomickeacute naacutevratnosti investice je pro větrneacute elektraacuterny umiacutestěneacute ve vnitrozemiacute hodnota průměrneacute rychlosti větru 6 ms pro elektraacuterny umiacutestěneacute na moři je tato hodnota 7 ms vyššiacute hodnota je způsobena zejmeacutena zvyacutešenyacutemi investičniacutemi naacuteklady na instalaci tzv off-shore elektraacuteren Prvotniacutem krokem vybraacuteniacute vhodneacute lokality pro instalaci větrneacute elektraacuterny je průzkum satelitniacutech dat o průměrneacute rychlosti větru Zdrojem těchto dat je velkeacute množstviacute instituciacute na obr 2 je mapa vytvořena společnostiacute NASA přesněji satelitem GEOS-1 kteraacute zobrazuje ročniacute průměrnou rychlost ve vyacutešce 50 m Pro českeacute investory budou nejzajiacutemavějšiacute informace ČHMUacute kteryacute je schopen za poplatek dodat informace o směru a rychlosti větru v Českeacute republice Data jsou ovšem nepřiacutemaacute naměřeneacute hodnoty z meteorologickyacute stanic jsou aproximovanaacute pomociacute

0

25

50

75

100

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011

Vyacuteko

n [G

W]

Rok

14

matematickyacutech modelů Tyto mapoveacute podklady sloužiacute k přibližneacutemu určeniacute vhodneacute lokality Konečneacute rozhodnutiacute o instalaci by mělo byacutet založeno na dlouhodobeacutem měřeniacute na konkreacutetniacutem miacutestě plaacutenovaneacute vyacutestavby větrneacute elektraacuterny

Obr 2 Průměrnaacute rychlost větru ve vyacutešce 50 m [15]

Miacutesta s největšiacutem potenciaacutelem pro využitiacute větrneacute energie jsou nad oceaacuteny naopak miacutesta s jednou z nejhoršiacutech využitelnostiacute větrneacute energie jsou centraacutelniacute regiony velkyacutech světadiacutelů Nejvhodnějšiacute lokality pro využiacutevaacuteniacute větrneacute energie jsou pobřežniacute regiony Pobřežniacute regiony jsou znaacutemeacute silnyacutem větrem a velkyacutem poměrem světoveacute populace tzn odběratelů elektrickeacute energie Větrnaacute energie trpiacute stejnyacutem neduhem jako většina zdrojů obnovitelneacute energie a to nestaacutelostiacute a značnyacutemi sezoacutenniacutemi rozdiacutely Je velmi složiteacute přesně předpovědět energetickyacute vyacutestup z větrnyacutech zdrojů Rozvodnaacute siacuteť je schopna tyto sezonniacute vyacutekyvy absorbovat ale pouze v přiacutepadě že větrnaacute energie tvořiacute meacuteně než 20 celkoveacute kapacity siacutetě Diacuteky nestaacutelosti větrneacute energie větrneacute turbiacuteny pracujiacute s niacutezkyacutem kapacitniacutem faktorem Podiacutel větrneacute energie může byacutet vyacuterazně zvyacutešen použitiacutem skladovaciacutech technologiiacute Skladovaciacutech technologiiacute je celaacute řada pro svou praacuteci jsem si vybral jako nejslibnějšiacute technologii použitiacute vodiacuteku jako energetickeacuteho nositele Využitiacute vodiacuteku k vyacuterobě elektřiny je kontrolovatelneacute a dokaacuteže pokryacutet energetickeacute vyacutekyvy v době kdy větrneacute elektraacuterny do siacutetě elektrickou energii nedodaacutevajiacute Pro zajištěniacute spolehlivosti energetickeacuteho zdroje a optimalizaci naacutekladů na instalaci je potřeba najiacutet vhodnyacute vztah mezi jmenovityacutem vyacutekonem větrneacute elektraacuterny a vyacutekonem vodiacutekoveacuteho systeacutemu Vzdušneacute prouděniacute je proměnneacute nejenom v kraacutetkeacutem časoveacutem horizontu ale zaacuteroveň se měniacute i v raacutemci ročniacuteho obdobiacute Tato proměnnost značně ovlivňuje vyacutekonnost celeacuteho systeacutemu Větrnaacute energie se měniacute takeacute teacuteměř z hodiny na hodinu proto je potřeba vytvořit strategii pro pracovniacute režimy elektrolyzeacuteru tak aby nedochaacutezelo k časteacutemu vypiacutenaacuteniacute a zapiacutenaacuteniacute systeacutemu v zaacutevislosti na variaci větrneacute energie Přesnaacute předpověď vyacutevoje rychlosti větru zahrnuta do plaacutenovaciacutech a provozniacutech naacutestrojů systeacutemu může systeacutem značně vylepšit

15

Vyacuteroba vodiacuteku pomociacute větrneacute energie se děje pomociacute elektrolyacutezy vody tento vyacuterobniacute postup je vysvětlen v kapitole ldquoelektrolyacutezardquo Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutem rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute Pomocnaacute energie je dodaacutevanaacute ze stabilniacuteho regulovatelneacuteho zdroje V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Kombinace zdroje jako je větrnaacute elektraacuterna s elektrolyzeacutery může miacutet za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti kvůli ztraacutetaacutem způsobenyacutech konverziacute elektrickeacute energie ze stejnosměrneacute na střiacutedavou a naopak Jak usměrňovače tak invertory spotřebujiacute čaacutest energie Tyto zařiacutezeniacute mohou v ideaacutelniacutech podmiacutenkaacutech pracovat s uacutečinnostiacute kolem 93 - 95 bohužel velmi proměnou energii ziacuteskaacutevanou s větru nemůžeme považovat za ideaacutelniacute podmiacutenky tomu odpoviacutedaacute i znatelně menšiacute uacutečinnost Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute

16

11Větrneacute turbiacuteny

111Technologie

Nejčastěji použiacutevanaacute větrnaacute turbiacutena je tzv vztlakovyacute třiacutelistyacute rotor s vodorovnou osou otaacutečeniacute Pracuje na principu leteckeacute vrtule kdy viacutetr obteacutekaacute lopatky Lopatkyjsou asymetricky tvarovaacuteny proto na každeacute straně lopatky maacute obteacutekajiacuteciacute vzduch jinou

Obr 3 Zjednodušeneacute scheacutema větrneacute elektraacuterny [14]

rychlost to vytvaacuteřiacute tlakovou diferenci ktereacute maacute v konečneacutem důsledku za naacutesledek vytvořeniacute vztlakovyacutech sil ktereacute rotor roztaacutečiacute Hnaciacute uacutestrojiacute je obvykle tvořeno niacutezko-rychlostniacute hřiacutedeliacute kteraacute připojuje rotor k převodovce Převodovka je 2 až 3 stupňovaacute tzv rychlost zvyšujiacuteciacute Převodovka je připojena vysoko-rychlostniacute hřiacutedeliacute ke generaacutetoru Generaacutetory jsou typicky asynchronniacute indukčniacute a pracujiacute v rozmeziacute 550 - 690 V Některeacute turbiacuteny mohou byacutet vybaveny přiacutedavnyacutem generaacutetorem zlepšujiacuteciacutem produkci při niacutezkeacute rychlosti větru Přiacutedavnyacute generaacutetor může byacutet oddělenyacute nebo integrovanyacute v hlavniacutem generaacutetoru Součaacutestiacute větrnyacutech turbiacuten je i transformaacutetor kteryacute pomociacute elektromagnetickeacute indukce zvyšuje napětiacute proudu vznikajiacuteciacuteho ve větrneacute elektraacuterně Sběrnyacute systeacutem na miacutestě větrneacute elektraacuterny obvykle operuje se středniacutem napětiacute cca 25 - 35 kV Obraacutezek 3 zobrazuje zaacutekladniacute čaacutesti typickeacute větrneacute elektraacuterny Typickaacute větrnaacute elektraacuterna je vybavena regulačniacutem systeacutemem naklaacutepěniacute Pomociacute tohoto zařiacutezeniacute jsou uacutehly naacuteběhu listu rotoru staacutele regulovaacuteny tak aby byl rotor optimaacutelně přizpůsoben aktuaacutelniacutem větrnyacutem podmiacutenkaacutem Při vyššiacutech rychlostech větru regulačniacute systeacutemy zajišťujiacute aby vyacutekon elektraacuterny byl co možnaacute nejbliacuteže jmenoviteacuteho vyacutekonu Při nižšiacutech rychlostech optimalizujiacute předaacutevaacuteniacute vyacutekonu nastaveniacutem optimaacutelniacuteho počtu otaacuteček a optimaacutelniacuteho uacutehlu nastaveniacute rotorů Veškereacute funkce elektraacuterny jsou kontrolovaacuteny a řiacutezeny řiacutediacuteciacute jednotkou kteraacute je umiacutestěna

17

většinou ve věži Změny uacutehlu nastaveniacute listů rotoru jsou aktivovaacuteny pomociacute mžikoveacuteho ramene hydraulickyacutem systeacutemem kteryacute umožňuje listům rotovat axiaacutelně Elektricky pohaacuteněneacute převody se starajiacute o nataacutečeniacute celeacute gondoly ve směru větru Pohyb je uskutečňovaacuten pomociacute pastorku v gondole zasahujiacuteciacuteho do zubů otočneacuteho věnce kteryacute je upevněn na vrchniacute čaacutesti věže [2] Ložiskovyacute systeacutem směrovaacuteniacute větru je systeacutem kluzneacuteho ložiska se zabudovanou frikčniacute a blokujiacuteciacute funkciacute Listy rotoru jsou vyrobeny z epoxidoveacute pryskyřice vyztuženeacute skelnyacutem vlaacuteknem Každyacute list rotoru se sklaacutedaacute ze dvou polovin ktereacute jsou spojeny s nosnou traverzou Zvlaacuteštniacute oceloveacute vložky k ukotveniacute spojujiacute listy rotoru s ložiskem Brzděniacute rotoru probiacutehaacute pomociacute nastaveniacute listů Parkovaciacute brzda se nachaacuteziacute na vysokorychlostniacutem hřiacutedeli Gondola chraacuteniacute vnitřniacute komponenty elektraacuterny před povětrnostniacutemi podmiacutenkami a zviacuteřectvem Gondola je nejčastěji vyrobena z plastu[1]

Obr 4 Vztah rychlosti větru a vyacutekonu větrneacute elektraacuterny [8]

Jak je ukaacutezaacuteno na obraacutezku 4 vyacutekon větrneacute elektraacuterny je funkciacute rychlosti větru Vztah mezi vyacutekonem a rychlostiacute větru je definovaacuten pomociacute tzv vyacutekonoveacute charakteristiky kteraacute je unikaacutetniacute pro každou turbiacutenu v některyacutech přiacutepadech se může lišit i v zaacutevislosti na umiacutestěniacute elektraacuterny Pokud se budeme snažit generalizovat tak většina elektraacuteren začiacutenaacute produkovat vyacutekon při rychlosti větru okolo 2 ms jmenoviteacuteho vyacutekonu dosaacutehne okolo 13 ms a k odstaveniacute kolem 25 mskdy je nebezpečiacute poškozeniacute mechanickyacutech čaacutestiacute elektraacuterny a proto dojdek zabrzděniacute rotoru Proměnnost větru maacute za naacutesledek neustaacutelou změnu vyacutekonu Větrnaacute elektraacuterna umiacutestěna v lokaci s dobrou charakteristikou větru je schopna v ročniacutem průměru produkovat maximaacutelně 35 sveacute možneacute kapacity

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek

121Všeobecně

Vzhledem k tomu že větrneacute podmiacutenky jsou specifickeacute pro danou lokalitu a jsou vyacuterazně ovlivněny topologiiacute tereacutenu i překaacutežkami v okoliacute instalovaneacute větrneacute elektraacuterny je nutneacute ziacuteskat co nejpřesnějšiacute kvantitativniacute popis těchto podmiacutenek Elektrickeacute energie produkovanaacute danou větrnou elektraacuternou se vyacuterazně měniacute s odchylkami rychlosti větru od jejiacute středniacute hodnoty Jestliže 50 časoveacuteho uacuteseku

18

je rychlost větru 12 ms a 50 je rychlost 0 ms větrnaacute elektraacuterna vyrobiacute podstatně viacutece energie energie než když 100 tohoto času je rychlost větru 6 ms [3] Tato skutečnost vyplyacutevaacute ze zaacutevislosti vyacutekonu větrneacute elektraacuterny na třetiacute mocnině rychlosti větru [4] Pro vyhodnoceniacute očekaacutevaneacute produkce elektrickeacute energie v daneacute lokalitě je nutnaacute znalost distribuce rychlosti větru

122Počiacutetačoveacute modelovaacuteniacute

V širšiacutem měřiacutetku je možno modelovat průběh rychlosti větru počiacutetačovyacutem modelovaacuteniacutem Speciaacutelniacute vyacutepočetniacute algoritmy dokaacutežiacute popsat vliv různyacutech parametrů na rychlost větru jako je nadmořskaacute vyacuteška topografie a povrch tereacutenu Tyto modely musiacute použiacutevat vstupniacute data o charakteru větru ze znaacutemeacute lokace Roli těchto znaacutemyacutech lokaciacute zastupujiacute předevšiacutem meteorologickeacute stanice ktereacute nabiacuteziacute přesneacute měřeniacute směru a rychlosti větru pro daneacute miacutesto

Obr 5 Průměrnaacute rychlost větru v 10 m [16]

Tyto viacutetr mapujiacuteciacute programy dle znaacutemyacutech hodnot odvodiacute hodnoty rychlostiacute větru pro specifickou vyacutešku a miacutesto na zaacutekladě těchto hodnot se vytvaacuteřiacute tzv atlas větru Atlasy větru jsou vydaacutevaacuteny ve velkeacute množstviacute měřiacutetek od globaacutelniacutech map po mapy lokaacutelniacute U naacutes je zdrojem těchto map předevšiacutem ČHMUacute kteryacute tyto mapy poskytuje potencionaacutelniacutem investorům za uacuteplatu Větrneacute mapy reprezentujiacute nejlepšiacute

19

odhad větrnyacutech zdrojů na velkeacutem uacutezemiacute Nemohou však zastoupit měřeniacute větru přiacutemo na miacutestě anemometrem Sloužiacute k vybraacuteniacute lokality s větrnyacutem potenciaacutelem Dalšiacute vyhodnoceniacute vyacutenosnosti větrneacute elektraacuterny probiacutehaacute již na samotneacutem miacutestě budouciacute instalace a to vyhodnoceniacutem lokaacutelniacutech podmiacutenek ovlivňujiacuteciacutech rychlost prouděniacute větru

123Měřeniacute v miacutestě umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny

Měřeniacute rychlosti se provaacutediacute anemometrem umiacutestěnyacutem v předpoklaacutedaneacute vyacutešce rotoru aby byly vyacutesledky co možnaacute nejviacutece reprezentativniacute Samotneacute měřeniacute se obvykle provaacutediacute v průběhu jednoho roku Tato informace se uvaacutediacute nejčastěji formou sloupcoveacuteho diagramu např obr 6 kteryacute udaacutevaacute procentuaacutelniacute vyacuteskyt rychlosti větru

Obr 6 Četnost vyacuteskytu rychlostiacute větru proloženyacutech funkciacute Weibull

ve třiacutedaacutech o šiacuteřce 1 ms Ze sloupcoveacuteho grafu se vyhodnocuje středniacute rychlost větru zpravidla během jednoho roku většinou tzv Weibullovyacutem rozděleniacutem (fialovaacute křivka na obraacutezku 6) Středniacute rychlost je daacutele použiacutevaacutena při vyacutepočtech vyacutekonu Weibullova funkce je pravděpodobnostniacute dvouparametrovaacute funkce kteraacute maacute tvar

p(v) = kA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ sdot

vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdoteminus vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

kde p(v) pravděpodobnost vyacuteskytu rychlosti v v rychlost větru [ms] k tvarovyacute parametr [-] A parametr měřiacutetka [ms]

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Čet

nost

vyacutes

kytu

[]

Rychlost větru [ms]

20

Rychlost větru je nejnižšiacute na zemskeacutem povrchu a zvyšuje se se stoupajiacuteciacute vyacuteškou tento jev je spojen s vyacuteskytem mezniacute vrstvy při povrchu Vyacutekon větrneacute elektraacuterny je

Obr 7 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

v podstatě uacuteměrnyacute třetiacute mocnině středniacute rychlosti větru Hlavniacute snahou je tedy umiacutestit rotor co možnaacute nejvyacuteše Tento jev je ilustrovaacuten uvedenyacutem vertikaacutelniacutem rychlostniacutem profilem na obraacutezku 7 Z uvedeneacuteho grafu je patrneacute zvyacutešeniacute rychlosti až do vyacutešky 40 - 50 m Kvantitativně tento jev shrnuje obecnaacute tabulka 1 v přiacutepadě je uvažovaacuten nominaacutelniacute vyacutekon při vyacutešce osy rotoru 10 m potom je růst vyacutekonu s rostouciacute vyacuteškou naacutesledujiacuteciacute

Vyacuteška osy rotoru

Zvyacutešeniacute vyacutekonu

10 m 0

19 m 41

27 m 75

36 m 100

46 m 125

Tab 1 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vyacutešk

a [m

]

Rychlost větru[ms]

21

124 Miacutestniacute faktory ovlivňujiacuteciacute rychlost větru

Rychlost větrneacuteho prouděniacute neovlivňujiacute pouze globaacutelniacute faktory jako je topografie geografickeacute umiacutestěniacute a dalšiacute faktory širšiacuteho charakteru Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru se měniacute takeacute s drsnostiacute povrchu turbulenciacute za překaacutežkami Zvyacutešenaacute drsnost povrchu v protisměru převlaacutedajiacuteciacuteho větru může zvyacutešit jeho rychlost v ose rotoru s naacuteslednyacutem zvyacutešeniacutem vyacutekonu [2] Pro kvantitativniacute vyhodnoceniacute vlivu drsnosti povrchu na rychlost větru se použiacutevaacute vztah mezi vyacuteškami osy rotoru a odpoviacutedajiacuteciacutemi rychlostmi větru a vypadaacute takto

kde v rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce osy rotoru h vref rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce rotoru href α exponent jehož hodnota vyjadřuje charakter drsnosti

Pro danou lokalitu je potřebneacute naleacutezt hodnotu exponentu α z vyacutesledků měřeniacute rychlosti větru Typickeacute obecneacute hodnoty exponentů pro větrnou elektraacuternu s referenčniacute vyacuteškou 35 m jsou v tabulce 2

Drsnost povrchu α [ - ]

Faktor zvyacutešeniacute [ - ]

Velmi niacutezkaacute (klidnaacute hladina moře)

010 145

Niacutezkaacute (louky pole)

016 182

Průměrnaacute (les křoviny)

020 212

Vyššiacute (vesnice roztroušeneacute domy)

028 286

Vysokaacute (město s vysokyacutemi budovami)

040 450

Tab 2 Hodnoty exponentu α [4]

Dalšiacutem důležityacutem faktorem ovlivňujiacuteciacutem rychlost větru a chod větrneacute elektraacuterny je turbulence Turbulence je charakterizovanaacute rychlyacutemi změnami rychlosti větru a je měřena standardniacute odchylkou σ od středniacute hodnoty okamžiteacute rychlosti větru zaznamenanyacutech každeacute 2 sekundy po dobu 10 minut Intenzita turbulence je definovanaacute ke středniacute hodnotě rychlosti větru vstr je často definovanaacute jako

v = vref sdothhref

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

α

22

Intenzitu turbulence v miacutestě zamyacutešleneacute instalace větrneacute elektraacuterny je potřebneacute porovnat se standarty mezinaacuterodniacute elektrotechnickeacute komise IEC Tyto standarty pomaacutehajiacute při určeniacute zda turbulence v daneacutem miacutestě nejsou mimo předepsaneacute limity Pokud hodnoty intenzity turbulenciacute přesahujiacute limity způsobily by zkraacuteceniacute životnosti větrneacute elektraacuterny hlavně vlivem uacutenavy konstrukčniacutech materiaacutelů IEC standarty použiacutevajiacute 2 hodnoty

vysokyacute horniacute limit VHL = 012middotvstr+095 niacutezkyacute horniacute limit NHL = 012middotvstr+060

Je-li intenzita turbulence menšiacute než niacutezkyacute horniacute limit je lokalita vhodnaacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Pokud je intenzita většiacute než vysokyacute horniacute limit vyacutestavba neniacute vhodnaacute Turbulence děliacuteme podle druhu vzniku na mechanickou termickou a dynamickou Mechanickaacute turbulence vznikaacute třeniacutem proudiacuteciacuteho vzduchu o nerovnyacute zemskyacute povrch Intenzita mechanickeacute turbulence je zaacutevislaacute na členitosti tereacutenu (stromy les budovy) a na rychlosti větru Zvlaacuteštniacutem druhem mechanickeacute turbulence je turbulence orografickaacute Orografickaacute turbulence vznikaacute důsledkem prouděniacute vzduchu přes horskeacute překaacutežky Tato turbulence vznikaacute i při stabilniacutem zvrstveniacute vzduchu v důsledku vyacuterazneacute deformace vzdušneacuteho proudu V zaacutevětřiacute horskyacutech hřebenů vznikajiacute vertikaacutelniacute pohyby o rychlosti plusmn 10 ms Jeseniacuteky jsou u pilotů kluzaacuteku vyhledaacutevaacuteny praacutevě kvůli časteacutemu vyacuteskytu orografickeacute turbulence kteraacute jim dovoluje provaacutedět přelety v řaacutedech stovek kilometrů Termickaacute turbulence vznikaacute v důsledku labilniacuteho zvrstveniacute atmosfeacutery při prouděniacute studeneacuteho vzduchu nad teplejšiacute povrch nebo v důsledku nerovnoměrneacuteho ohřevu zemskeacuteho povrchu Dynamickaacute turbulence vznikaacute v oblastech velkeacuteho střihu větru Nejčastěji je spojena s oblastmi proudoveacuteho toku

I = σvstr

23

2Elektrolyacuteza

Viacutece než 400 průmyslovyacutech vodniacutech elektrolyzeacuterů bylo v provozu na začaacutetku devatenaacutecteacuteho stoletiacute V roce 1939 byla vybudovaacutena prvniacute velkaacute tovaacuterna v Lonze využiacutevajiacuteciacute vodniacute elektrolyacutezu kteraacute produkovala 10000 Nm3 H2 hod Převaacutežnaacute většina světově produkovaneacuteho vodiacuteku je spotřebovaacutena v petrochemickeacutem průmyslu a při vyacuterobě amoniaku a methanolu Elektrolytickyacute vodiacutek je využiacutevaacuten v menšiacutech aplikaciacutech zvlaacuteště tam kde je požadovaacutena vysokaacute čistota vodiacuteku V potravinaacuteřskeacutem průmyslu je vodiacutek použiacutevaacuten pro zvyacutešeniacute stupně nasyceniacute u tuků a olejů zvyšuje tak jejich bod taacuteniacute a odolnost vůči oxidaci V elektronickeacutem průmyslu je použiacutevaacuten jako redukčniacute činidlo v epitaxaacutelniacutem růstu polysilikonu a ve vyacuterobě integrovanyacutech obvodů V jaderneacutem průmyslu vodiacutek zastupuje roli čističe kysliacuteku kdy odstraňuje kysliacutekoveacute stopy ktereacute mohou způsobit korozniacute poškozeniacute materiaacutelu Maleacute množstviacute vodiacuteku je použiacutevaacuteno takeacute ve farmaceutickeacutem sklaacuteřskeacutem a plasma průmyslu Diacuteky sveacute dobreacute tepelneacute vodivosti je použiacutevaacuten jako chladiacuteciacute meacutedium v elektrickyacutech generaacutetorech elektraacuteren Proces elektrolyacutezy je elektrochemickyacute rozpad molekuly vody na jednotliveacute složky jmenovitě vodiacutek a kysliacutek [7] Podle druhu elektrolytu použiacutevaneacuteho pro přenos elektrickeacuteho proudu v procesu děliacuteme elektrolyacutezu vody na 4 zaacutekladniacute typy Na začaacutetku 19 stoletiacute použiacutevaly prvniacute zařiacutezeniacute na elektrolyacutezu jako elektrolyt kyselinu později bylo od teacuteto metody odstoupeno převaacutežně pro probleacutemy s koroziacute Elektrolyzeacutery použiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolytickou membraacutenu jsou druhyacutem typem Použitaacute membraacutena vodiacute protony a nepropouštiacute kysliacutek Tato technologie je relativně novaacute takže v současneacute době neexistujiacute velkeacute aplikace tohoto druhu elektrolyacutezy Dalšiacutem typem elektrolyacutezy je tzv parniacute elektrolyacuteza probiacutehajiacuteciacute při vysokeacute teplotě použiacutevajiacuteciacute keramickyacute elektrolyt vodiacuteciacute kysliacutekovyacute ion tento způsob maacute potenciaacutel pro vysokou uacutečinnost v současneacute době prokaacutezanou pouze laboratorně V dnešniacute době je nejrozšiacuteřenějšiacute elektrolyacuteza použiacutevajiacuteciacute alkalickyacute elektrolyt nejčastěji hydroxid draselnyacute

21Princip elektrolyacutezy

Při vedeniacute stejnosměrneacuteho proudu mezi dvěma elektrodami ve vodě vznikaacute vodiacutek kysliacutek a teplo podle naacutesledujiacuteciacute rovnice

Čistaacute voda je ovšem špatně vodivaacute proto se musiacute byacutet přidaacuten vodivyacute elektrolyt kteryacute zajistiacute technicky akceptovatelnou uacuteroveň potřebneacuteho napětiacute Elektrickeacute napětiacute přivedeneacute na elektrody musiacute přesaacutehnout minimaacutelniacute hodnotu tak aby reakce proběhla Hodnota tohoto napětiacute je určena Gibbsovou entalpiiacute rozkladu vody a je funkciacute tlaku a teploty Za standardniacutech podmiacutenek (teplota 25 degC tlak 1 bar) je to 123 V Teoretickaacute energie potřebnaacute pro průběh elektrolyacutezy se vyjadřuje pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vyacuterazu

kde ΔH změna entalpie reakce ΔG změna Gibbsovy volneacute energie T teplota a ΔS změna entropie Změna entalpie při standardniacutech podmiacutenkaacutech je 2858 kJmol Změna Gibbsovy volneacute energie je při standardniacutech podmiacutenkaacutech 2372 kJmol To znamenaacute

H2O⎯rarr⎯ H2 +12O2

ΔH = ΔG +T sdot ΔS

24

že 2372 kJ mol z 2858 kJmol musiacute byacutet dodaacuteno elektrickyacutem proudem a zbylaacute čaacutest může byacutet dodaacutena elektrickyacutem proudem nebo teplem V reaacutelnyacutech podmiacutenkaacutech pro niacutezkoteplotniacute elektrolyacutezy je však veškeraacute potřebnaacute energie dodaacutena elektrickyacutem proudem [8] Dalšiacute termodynamickou charakteristikou elektrolyacutezy je reverzibilniacute napětiacute Vyjadřuje minimaacutelniacute elektrickyacute potenciaacutel potřebnyacute k elektrolytickeacute reakci při standardniacutech podmiacutenkaacutech se rovnaacute 123 V

kde 2 je počet elektronů potřebnyacutech k rozděleniacute molekuly vody a F je Faradayova konstanta Termoneutraacutelniacute napětiacute je napětiacute při ktereacutem by pracoval dokonale efektivniacute člaacutenek v přiacutepadě že veškereacute potřebnaacute energie je dodaacutevaacutena elektrickyacutem proudemPro standardniacute podmiacutenky se rovnaacute 148 V a je vyjaacutedřeno naacutesledujiacuteciacutem vztahem

Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem menšiacutem než je napětiacute reverzibilniacute nedojde k rozkladu molekuly vody Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem v rozmeziacute mezi reverzibilniacutem a termoneutraacutelniacutem napětiacute elektrolytickyacute proces je endotermickyacute Je potřeba dodat teplo pro rozpad molekuly vody Napětiacute většiacute než termoneutraacutelniacute napětiacute maacute za naacutesledek že proces je exotermickyacute a veškeraacute energie je dodaacutena z elektrickeacuteho proudu Přidaneacute teplo je potřeba odstranit Reversibilniacute i termoneutraacutelniacute napětiacute jsou funkcemi teploty tlaku a složeniacute elektrolytu [8] Zaacutekladniacutemi čaacutestmi člaacutenku na vodniacute elektrolyacutezu je katoda anoda a oddělovač Katoda musiacute byacutet odolnaacute korozi umiacutestěnaacute v elektrolytu s redukčniacutem potenciaacutelem Katoda musiacute byacutet dobryacute vodič a miacutet strukturaacutelniacute celistvost Elektrody jsou od sebe odděleny membraacutenou nepropouštějiacuteciacute plyny

22Typy elektrolyacutezy

221Alkalickaacute elektrolyacuteza

Alkalickaacute elektrolyacuteza je v současnosti komerčně nejpoužiacutevanějšiacute elektrolyacutezou Tři největšiacute elektrolyzeacutery byly instalovaacuteny ve 40 letech na dodaacutevky vodiacuteku do zařiacutezeniacute na vyacuterobu amoniaku a naacuteslednou vyacuterobu hnojiva Tyto elektrolyzeacutery jsou umiacutestěny v Indii (De Nora) Norsku (Norsk-Hydro) a Egyptě (Demag) Obraacutezek 8 scheacutematicky zobrazuje alkalickyacute elektrolytickyacute člaacutenek

Erev =ΔG2 sdotF

Etn =ΔH2 sdotF

25

Obr 8 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [8]

V alkalickeacutem člaacutenku probiacutehaacute naacutesledujiacuteciacute zjednodušenaacute reakce

V elektrolytu 2H2O⎯rarr⎯ 2H + + 2OH minus

Na katodě 2H + + 2eminus ⎯rarr⎯ H2

Na anodě 2OH minus ⎯rarr⎯ 1

2+ H2O + 2eminus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ H2 +O2

Alkalickaacute elektrolyacuteza probiacutehaacute při teplotě kolem 80degC a při tlaku v rozmeziacute 1 až 30 barů Pro průběh elektrolyacutezy je zapotřebiacute zajistit plynulyacute pohyb hydroxidovyacutech ionů (OH-) z katody na anodu ale zabraacutenit smiacutechaacuteniacute produkovanyacutech plynů Tyto požadavky splňuje tzv separaacutetor (membraacutena nebo clona) Separaacutetorje umiacutestěn mezi elektrody a diacuteky svyacutem charakteristickyacutem vlastnostem propouštiacute hydroxidoveacute iony zatiacutemco zabraňuje v pronikaacuteniacute jednotlivyacutech plynů Voda je obvykle přidaacutevaacutena do cirkulujiacuteciacuteho elektrolytu je to takeacute způsob jak odstranit odpadoveacute teplo z reakce a kontrolovat teplotu procesu Tradičniacute alkalickeacute elektrolyzeacutery jsou konstruovaacuteny pomociacute tzv zero gap design (naacutevrh bez mezery) kde anoda i katoda jsou umiacutestěny do bezprostředniacute bliacutezkosti separaacutetoru Umiacutestěniacute obou elektrod bliacutezko sebe maacute za naacutesledek sniacuteženiacute ohmickyacutech ztraacutet v elektrolytu Pokud se při elektrolyacuteze vytvaacuteřiacute bublinky plynů jsou transportovaacuteny do zadniacute strany elektrod skrze mezery v perforovanyacutech elektrodaacutech a tiacutem paacutedem nebudou blokovat proud ionů mezi elektrodami Vodiacutek je ziacuteskaacutevaacuten na katodaacutech jeho čistota je až 98 objemovyacutech kde jedinyacutemi nečistotami jsou kysliacutek a voda Vodiacutek může byacutet daacutele čištěn až na koncentraci teacuteměř 100 a to odstraněniacutem kysliacuteku v katalytickeacutem deoxideacuteru a vody v sušičce Těmito procedurami ovšem ztratiacuteme 5-10 celkoveacute produkce vodiacuteku Je potřeba si tuto ztraacutetu uvědomit při požadavciacutech na 100 čistyacute vodiacutek

26

Na obraacutezku 9 je zjednodušenyacute diagram průmysloveacuteho uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy Vodiacutek a kysliacutek opouštějiacute proces kde dochaacuteziacute k elektrochemickeacute disociaci vody odděleně přes naacutedoby HV a OV kde jsou odstraňovaacuteny zbytky elektrolytickeacuteho roztoku Elektrolyt a plyny jsou daacutele ochlazeny Z naacutedob pokračujiacute přes filtry HF A OF k odstraněniacute stop po elektrolytu Kysliacutek je uložen nebo spotřebovaacuten v dalšiacutech aplikaciacutech Vodiacutek může byacutet takeacute použiacutet ihned po průchodu filtry nicmeacuteně na obraacutezku 9 prochaacuteziacute dalšiacute čistiacuteciacute sekciacute Čistiacuteciacute sekce se sklaacutedaacute z deoxideacuteru kde dochaacuteziacute ke spalovaacuteniacute kysliacuteku obsaženeacuteho ve vodiacuteku na vodniacute paacuteru kteraacute je daacutele odstraněna v sušičce

Obr 9 Průmysloveacute uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy [7]

222Elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute membraacutenu

Kyseleacute roztoky nejsou v dnešniacute době přiacuteliš použiacutevaacuteny v průmysloveacute elektrolyacuteze vody ale i přesto nabiacutezejiacute alternativu k tekutyacutem alkalickyacutem elektrolytům Polymerniacute membraacuteny se vyznačujiacute velmi dobrou vodivostiacute protonů a špatnou vodivostiacute elektronů Polymerniacute membraacutena tak umožňuje tok protonů mezi elektrodami a zaacuteroveň zabraňuje stejneacutemu pohybu elektronů Elektrony musiacute použiacutet vnějšiacute obvod pro přechod mezi elektrodamiPro kyselyacute elektrolyt vypadaacute rovnice elektrolyacutezy naacutesledovně

Katoda 2H 3O + 2eminus ⎯rarr⎯ 2H2O + H2

Anoda 3H2O⎯rarr⎯ 2H 3O+ +O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

27

Obr 10 Scheacutema elektrolyacutezy s polymerniacute membraacutenou

Polymerniacute membraacutena zastupuje roli jak separaacutetoru tak elektrolytu Většina materiaacutelu membraacuten je založena na sulfonovanyacutech fluoropolymerech k vedeniacute protonů Nejznaacutemějšiacute materiaacutelem membraacuten je tzv Nafionreg kteryacute byl vyvinut společnostiacute Dupont Sulfonoveacute kyseliny jsou vysoce hydrofilniacute (přitahuje vodu) na druhou stranu fluropolymer je hydrofobniacute (odpuzuje vodu) Uvnitř hydratovanyacutech oblastiacute se H+ iony (protony) mohou relativně volně pohybovat tedy vytvaacuteřet zřeďovaneacute kyseliny H+ iony se mohou pohybovat na kraacutetkeacute vzdaacutelenosti i mimo hydratovaneacute oblasti pomociacute podporujiacuteciacutech dlouhyacutech molekulovyacutech struktur Tento pohyb je mnohem obtiacutežnějšiacute Hydratovanaacute membraacutena je tedy jeden z důležityacutech faktorů usnadňujiacuteciacute pohyb protonů a tiacutem paacutedem celkovou miacuteru elektrolyacutezy Horniacute limit teploty pro vyacuteměnu elektronů membraacutenou je okolo 125-150 degC ale většina elektrolyzeacuterů pracuje v režimu s tekutou vodou při teplotě cca 80 degC Vyššiacute pracovniacute teploty ktereacute by zlepšily kinematiku reakce můžeme dosaacutehnout diacuteky novyacutem polymerniacutem materiaacutelům nebo keramickyacutem materiaacutelům vodiacuteciacutem protony Vyššiacute teplota ovšem maacute za naacutesledek generaci většiacuteho množstviacute tepla Teplo musiacute byacutet odstraněno pomociacute cirkulace dostatečneacuteho množstviacute vody podeacutel anodoveacute elektrody člaacutenku Elektrody jsou většinou tvořeny tenkou vrstvou platinoveacuteho katalyzaacutetoru připevněneacuteho k membraacuteně Platina je považovaacutena za nejlepšiacute katalyzaacutetor jak pro anodu tak katodu diacuteky svyacutem termodynamickyacutem a kinetickyacutem vlastnostem Platina je nejnaacutekladnějšiacute čaacutesti elektrolytickyacutech člaacutenků i přes to že se množstviacute použiacutevaneacute platiny značně sniacutežilo [9] Elektrolyacuteza s pevnou membraacutenou pracuje s vyššiacute proudovou hustotou než alkalickaacute elektrolyacuteza I přes vyššiacute ceny materiaacutelů je pro ně potřebnaacute menšiacute plocha člaacutenků pro produkci stejneacuteho množstviacute vodiacuteku než pro alkalickeacute člaacutenky

28

223Parniacute elektrolyacuteza

Parniacute elektrolyacuteza probiacutehaacute za mnohem vyššiacute teploty než předešleacute typy typicky je to kolem 900-1000 degC a voda je do procesu přivaacuteděna jako paacutera Elektrolyt je vyroben z pevneacuteho keramickeacuteho materiaacutelu kteryacute vede kysliacutekoveacute iony Vysokaacute provozniacute teplota je nezbytnaacute pro keramickyacute materiaacutel aby byl dostatečně iontově vodivyacute Parniacute elektrolyzeacutery dodaacutevajiacute velkou čaacutest potřebneacute energie na elektrolyacutezu pomociacute tepla z paacutery miacutesto elektřiny [9] Principiaacutelně funguje stejně jako elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolyt Pevnyacute keramickyacute elektrolyt dovoluje kysliacutekovyacutem ionům prochaacutezet materiaacutelem od katody k anodě zatiacutemco zabraňuje pohybu elektronů ktereacute se přemisťujiacute externiacutem obvodem Keramickyacute elektrolyt takeacute zabraňuje promiacutechaacutevaacuteniacute vznikajiacuteciacutech plynů Na obraacutezku 11 je scheacutematicky zobrazen princip parniacute elektrolyacutezy

Obr 11 Princip parniacute elektrolyacutezy [9]

Zaacutekladniacute reakce probiacutehaacute v elektrodaacutech a odlišuje se od předešlyacutech způsobů elektrolyacutezy Celkovaacute reakce rozpadu vody zůstaacutevaacute nezměněna

Katoda H2O + 2eminus ⎯rarr⎯ H2 +O2minus

Anoda O2minus ⎯rarr⎯ 1

2O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

Vodniacute paacutera je je přivaacuteděna do komory u anody kde reaguje s elektrony a rozpadne se na vodiacutekoveacute a kysliacutekoveacute ionty Po přechodu k anodě kysliacutekoveacute ionty uvolňujiacute elektrony a tak vytvořiacute plynnyacute kysliacutek

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů

Za uacutečelem ziacuteskaacuteniacute požadovaneacuteho množstviacute vodiacuteku jsou elektrolyzeacutery tvořeny většiacutem počtem elektrolytickyacutech člaacutenků nebo paacuterů elektrod ktereacute mohou byacutet spojeny seacuteriově nebo paralelně Existujiacute dva druhy uspořaacutedaacuteniacute člaacutenků a to monopolaacuterniacute (naacutedržovyacute) a bipolaacuterniacute

29

V monopolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute je každaacute elektroda spojena a je napaacutejena externiacutem proudem Elektrody jsou jedno-polaacuterniacute každaacute je katoda nebo anoda Člaacutenky jsou spojeny paralelně tudiacutež napětiacute je stejneacute jak v jednotlivyacutech člaacutenciacutech tak v celeacute naacutedrži bez ohledu na celkovyacute počet člaacutenků Napětiacute je typicky kolem 12 - 2 V Tato konfigurace je jednoduchaacute robustniacute a snadnaacute na uacutedržbu Použiacutevajiacute se relativně levneacute čaacutesti a jednotliveacute buňky jsou snadno izolovatelneacute pro provedeniacute uacutedržby Ze sveacute podstaty maacute většiacute spotřebu energie diacuteky poklesu potenciaacutelu v člaacutenciacutech a je nutneacute použiacutevat vysokyacute proud pro přiměřenou produkci [9]

Obr12 Princip monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute [9]

V bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute jsou elektrody bipolaacuterniacute každaacute elektroda je na jedneacute straně anoda a na druheacute katoda s vyacutejimkou dvou koncovyacutech elektrod z nichž je jedna anoda a druhaacute katoda Buňky jsou spojeny elektricky paralelně a hydraulicky seacuteriově jak je zobrazeno na obraacutezku 13 Proud teče z jedneacute buňky do druheacute a tiacutem paacutedem je stejnyacute pro všechny buňky Celkoveacute napětiacute člaacutenku je rovno součtu napětiacute jednotlivyacutech buněk Každeacute napětiacute zaacutevisiacute na proudoveacute hustotě což je proud na jednotku plochy elektrody a na teplotu elektrolyacutezy V praxi je volt-ampeacuterovaacute charakteristika elektrolyzeacuteru unikaacutetniacute zaacutevisejiacuteciacute na aktivitě elektrody tepelneacute uacutečinnosti a dalšiacutech konstrukčniacutech charakteristikaacutech elektrolyzeacuteru [7]

Obr 13 Princip bipolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute zdroj [9]

V současneacute době neexistujiacute elektrolyzeacutery vyvinuty speciaacutelně pro použitiacute s větrnyacutemi elektraacuternami nicmeacuteně rychlaacute reakce elektrochemickeacuteho systeacutemu na změny energie je dělaacute vhodnyacutemi pro zaacutetěž vyskytujiacuteciacute se při tomto spojeniacute

30

s větrnyacutemi rotory Vyacutepadky dodaacutevek elektřiny však mohou způsobit probleacutemy s koroziacute na elektrodaacutech pokud nejsou chraacuteněny polarizačniacutem proudem v přiacutepadě vyacutepadku dodaacutevky

24Uacutečinnost elektrolyacutezy

V literatuře existuje nejednotnost vyacutekladu co vlastně uacutečinnost elektrolyacutezy je a jak se určuje Autoři zmiňujiacute uacutečinnost energetickou uacutečinnost elektrickou uacutečinnost proudovou uacutečinnost elektrochemickou uacutečinnost Daacutele takeacute zaacutevisiacute zda se jednaacute o uacutečinnost celeacuteho systeacutemu nebo jednotlivyacutech člaacutenků[9][7]Nejobecnějšiacute definice energetickeacute uacutečinnosti elektrolytickeacuteho procesu je

Energetickaacute uacutečinnost = Energetickyacute vyacutestup Celkovaacute dodanaacute energie

V přiacutepadě konvenčniacute vodniacute elektrolyacutezy je energetickyacute vstup limitovaacuten velikostiacute dodaneacute elektrickeacute energie proto je energetickaacute uacutečinnost definovaacutena poměrem energie kteraacute může byacutet obnovena reoxidaciacute vodiacuteku a kysliacuteku za vzniku vody (vyacutehřevnost vodiacuteku) a energie dodaneacute systeacutemu prostřednictviacutem elektrickeacuteho proudu

Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy = Vyacutehřevnost Celkovaacute vstupniacute elektrickaacute energie

Podle teacuteto definice může uacutečinnost přesaacutehnout hodnotu 100 jelikož nebere v uacutevahu energii dodanou do procesu teplem Toto je přiacutepad kdy elektrolyzeacuter pracuje pod termoneutraacutelniacutem napětiacutem když teplo okoliacute je použito jako energetickyacute zdroj a definice jej nebere v uacutevahu [9] Na uacuterovni člaacutenku se energetickaacute uacutečinnost elektrolyacutezy vyjadřuje jako poměr termoneutraacutelniacuteho napětiacute UTN (při standardniacutech podmiacutenkaacutech UTN = 148 V) vůči skutečneacutemu napětiacute člaacutenku U vynaacutesobeno uacutečinnostiacute proudu Uacutečinnost proudu φP je jednoduše poměr počtu elektronů teoreticky potřebnyacutech pro pro vyacuterobu daneacuteho množstviacute vodiacuteku ku skutečneacutemu počtu elektronů dodanyacutech elektrickyacutem proudem potřebnyacutech k vyacuterobě daneacuteho množstviacute vodiacuteku Tato uacutečinnost je typicky kolem 999 Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy ηel je tedy vyjaacutedřena naacutesledujiacuteciacutem vztahem

V zaacutevislosti na zvoleneacutem typu elektrolyacutezy a pracovniacutemi podmiacutenkami se uacutečinnost pohybuje v rozmeziacute 75 - 95 Takto vysokeacute hodnoty uacutečinnosti platiacute pro elektřinu jako zdroj energie Pokud ovšem vezmeme elektřinu jako energetickyacute vyacutestup jineacuteho energetickeacuteho zdroje jako např uhliacute zemniacute plyn nebo zdroje obnovitelneacute energie tak celkoveacute uacutečinnost vyacuteroby vodiacuteku elektrolyacutezou klesne na hranici 30

25Napětiacute člaacutenků

Spotřeba energie elektrolyacutezy je přiacutemo spojena s napětiacutem na člaacutenku a nepřiacutemo s proudovou uacutečinnostiacute Jak už bylo zmiacuteněno dřiacuteve proudovaacute uacutečinnost se bliacutežiacute k hodnotě 100 tzn že důležityacutem parametrem při navrhovaacuteniacute elektrolytickyacutech člaacutenku je napětiacute na člaacutenku

ηel =UTN

UsdotϕP

31

Elektrolyacuteza vody za skutečnyacutech podmiacutenek vyžaduje napětiacute U ktereacute je podstatně vyššiacute než vratneacute napětiacute Urev Musiacute překonat elektrickyacute odpor v elektrodaacutech v elektrolytu mezi elektrodami a separaacutetoru Daacutele musiacute pokryacutet přepětiacute na elektrodaacutech Napětiacute na člaacutenku pak může byacutet vyjaacutedřeno

kde ηK je přepětiacute na katodě ηA je přepětiacute na anodě j je proudovaacute hustota a R je suma elektrickyacutech odporů založenaacute na aktivniacute ploše elektrod Elektrickyacute odpor v elektrodaacutech zaacutevisiacute na typu složeniacute materiaacutelu a teplotě Přepětiacute je určeno aktivitou plochy elektrod složeniacute elektrolytu a teplotou Ohmickyacute odpor spojenyacute s pohybem elektronů je v relativně nevyacuteznamnyacute v bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute představuje ale nezanedbatelnyacute vliv v přiacutepadě monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů [9]

26Vliv provozniacutech podmiacutenek

261Teplota

Zvyacutešeniacute teploty elektrolyacutezy snižuje vratneacute napětiacute UREV a tiacutem paacutedem i celkovou energii vstupujiacuteciacute do procesu Pokud teplota vzroste z 250degC na 1000degC vstupniacute elektrickaacute energie může byacutet sniacutežena o 25 Nicmeacuteně celkovaacute energie potřebnaacute k provedeniacute elektrolyacutezy při vysokeacute teplotě je o něco vyššiacute Vyacutehoda vysokeacute teploty v elektrolytickeacutem procesu je použitiacute tepla jako energetickeacuteho vstupu a tiacutem zvyacutešeniacute uacutečinnosti diacuteky zvyacutešeneacute kinetice procesu Pokud je zdroj tepla snadno dostupnyacute je všeobecně mnohem levnějšiacute než elektřina tento fakt pak může značně ovlivnit celkovou ekonomiku procesu [9]

262Tlak

Tlak při procesu elektrolyacutezy maacute takeacute vliv na energetickeacute požadavky pro vyacuterobu elektrolytickeacuteho vodiacuteku Vratneacute napětiacute při daneacute teplotě T a tlaku p může byacutet určeno z Nernstovi rovnice jako

kde R označuje univerzaacutelniacute plynovou konstantu n počet elektronů potřebnyacutech pro rozděleniacute molekuly vody (n=2) F pro Faradayovu konstantu a aktivita jednotlivyacutech molekul Urev T p=1 vratneacute napětiacute při teplotě T [K] a standardniacutem tlaku p=1 bar Aktivizačniacute koeficienty vodiacuteku aH2 a kysliacuteku aO2 mohou byacutet ziacuteskaacuteny z poměru tlaku vůči atmosferickeacutemu tlaku aH2=pH2p a aO2=pO2p Daacute se předpoklaacutedat že pH2=pO2=p protože tlak na Urev T p=1 kysliacutekoveacute i vodiacutekoveacute straně je stejnyacute Daacutele aktivita vody je přibližně rovna 1 a tlak p=1 bar pak dojde ke zjednodušeniacute Nernstovi rovnice na tvar

Pro teplotu T=298K napětiacute roste s tlakem podle tabulky 3

U =Urev +ηK +ηA + j sdotR

UrevT p =UrevT p=1 +R sdotTn sdotF

lnaH2 sdot(aO2 )

05

aH2O

UrevT p =UrevT p=1 +3sdotR sdotT4 sdotF

ln p

32

Tlak p [bar] 10 30 50 100 200

Urev T p=1 [mV] 44 65 75 89 102

Tab 3 Zaacutevislost reversibilniacuteho napětiacute na tlaku [7]

Elektrolyzeacuter pracujiacuteciacute při tlaku 10 barů při 155V by potřeboval pouze 1608 V pro praacuteci při 200 barech založeno na teoretickeacute uacutevaze kdy (155 V + (102 mV - 44mV))= 162 V Vysokyacute tlak sice zvyšuje teoretickeacute vratneacute napětiacute pouze o paacuter procent i tak je staacutele vyacutehodneacute ho použiacutet ve skutečnyacutech elektrolyzeacuterech a to z důvodu sniacuteženiacute spotřeby energie a to diacuteky zvyacutešeneacute efektivitě (snižuje pracovniacute napětiacute) a vyššiacute dosažitelneacute proudoveacute hustotě Vysokyacute tlak daacutele redukuje velikost plynovyacutech bublinek na plochaacutech elektrod tiacutem zvyšuje vyacutekon buňky Vyacutehody tak převaacutežiacute lehkeacute zvyacutešeniacute teoretickeacuteho napětiacute Hlavniacutem důvodem pro použitiacute vysokotlakeacuteho procesu elektrolyacutezy je ovšem absence potřeby stlačovaacuteniacute vodiacuteku po jeho produkci a tiacutem paacutedem sniacuteženiacute naacutekladů Elektrolyzeacutery dokaacutežiacute zajistit zvyacutešeniacute tlaku při relativně maleacute potřebě energie Malyacute pokles energetickeacute uacutečinnosti procesu vyvaacutežiacute eliminaci kompresoru při dalšiacutem zpracovaacuteniacute vodiacuteku Vysokyacute tlak kolem 400 barů může způsobit mechanickeacute probleacutemy na elektrolyzeacuteru a tiacutem zvyacutešit investičniacute naacuteklady

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku

Spotřeba energie elektrolytickyacutem člaacutenkem může byacutet určena přiacutemyacutem způsobem z pracovniacuteho napětiacute člaacutenku U a proudoveacute uacutečinnosti φP Počet elektronů e- potřebnyacutech pro ziacuteskaacuteniacute jednoho kilogramu vodiacuteku z vodniacute elektrolyacutezy je bez ohledu na pracovniacute podmiacutenky fixniacute a to 26589 kAh Tato hodnota vychaacuteziacute z faktu že 2 elektrony jsou potřeba k vytvořeniacute jedneacute molekuly vodiacuteku z vody zbylaacute čaacutest je jednoduchaacute konverze jednotek zohledněniacutem molaacuterniacute hmotnosti vodiacuteku

Specifickaacute energie elektrolyzeacuteru K v kWhkg H2 pak může byacutet určena pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

kde U je průměrneacute pracovniacute napětiacute jednoho člaacutenku a φi proudovaacute uacutečinnost Tato rovnice nezohledňuje energii potřebnou ke stlačeniacute vodiacuteku pokud je požadovaacuten tlak vyššiacute než kteryacute je na vyacutestupu z elektrolyzeacuteru Nezahrnuje ani malou čaacutest energie potřebnou k de-ionizaci vody a ke konverzi ze střiacutedaveacuteho na stejnosměrnyacute proud Každopaacutedně rovnice naacutem daacutevaacute dobrou představu o spotřebě energie pro samotnyacute elektrolyzeacuter V tabulce 4 jsou shrnuty zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

2eminus

H2

sdot 1000gH2

2016gH2 molH2

sdot 96487Cmol

sdot 1eminus

sdot 1kA1000C s

sdot 1h3600s

= 26589kAh

K = 26589 sdotUϕi

33

Alkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacuteza El pevneacuteho polymeru

Parniacute el

Technologie Konvenčniacute al el

Moderniacuteal el

Inorganickaacutemembraacutenaal el

Pevnyacutepolymer

Vysoko tep lo tn iacute elektrolyzeacuter

Napětiacute člaacutenku [V] 18 - 22 15 - 25 16 - 19 14 - 20 095 - 13

P r o u d o v aacute hustota[Acm2]

013 - 025 02 - 20 02 - 10 10 - 40 03 - 10

Teplota [degC] 70 - 90 80 - 145 90 - 120 80 - 150 900 - 1000

Tlak [bar] 1 - 2 až do 120 až do 40 až do 400 900 - 1000

Elektrolyt 25 - 35 KOH

25 - 40 KOH

14 - 15KOH

Flurosulfonovaacutekyselina Keramickyacute

Uacute č i n n o s t člaacutenku [] 77 - 80 80 - 90 85 - 95 85 - 98 90 - 99

S p o t ř e b a energie [kWhNm3 H2]

43 - 49 38 - 43 36 - 40 36 - 40 25 - 35

Tab 4 Zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

34

3Metody uskladněniacute vodiacuteku

Z důvodu pokrytiacute denniacutech a sezonniacutech rozdiacutelů mezi dostupnostiacute energie a požadavky na tuto energii musiacute byacutet vodiacutek skladovaacuten Vodiacutek může byacutet skladovaacuten v plynneacute formě kapalneacute formě a takeacute jako hydrid kovu Vodiacutek je velmi lehkyacute plyn s malou hustotou To znamenaacute že maleacute množstviacute vodiacuteku zabiacuteraacute velkyacute objem Ciacutelem tedy je zvyacutešit objemovou hustotu vodiacuteku Klasickeacute oceloveacute vysokotlakeacute oceloveacute naacutedoby jsou plněny až na tlak 200 barů Naacutedoby vyrobeneacute ze zesiacutelenyacutech uhliacutekovyacutech vlaacuteken mohou teoreticky uklaacutedat vodiacutek při tlaku až 600 barů prakticky byl dosažen tlak asi 450 barů Ciacutelem automobiloveacuteho průmyslu je však hodnota 700 barů pro skladovaacuteniacute plynneacuteho vodiacuteku při běžneacutem použiacutevaacuteniacute v automobilech To však požaduje vyacutevoj novyacutech kompozitniacutech materiaacutelů ktereacute odolajiacute vysokeacutemu tlaku a nestanou se při styku s vodiacutekem křehkyacutemi S vyššiacutem tlakem roste hustota ale samotnaacute komprese je velmi komplikovanyacute nebezpečnyacute a drahyacute proces Zvyacutešeniacute hustoty vodiacuteku lze takeacute dosaacutehnout zkapalněniacutem nebo převedeniacutem do pevneacuteho stavu Hustota tekuteacuteho vodiacuteku je cca 708 kgm3 v porovnaacuteniacute s hustotou vodiacuteku v pevneacutem stavu a to 706 kgm3 Kondenzačniacute teplota vodiacuteku je při tlaku 1 bar -252degC z toho vyplyacutevaacute že proces zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je velmi energeticky naacuteročnyacute Tekutyacute vodiacutek se tak použiacutevaacute pokud je nezbytneacute zajistit vysokou hustotu napřiacuteklad pro kosmickeacute aplikace[10] Vodiacutek je takeacute schopen vytvaacuteřet hydridy s některyacutemi kovy Vodiacutek v molekulaacuterniacute podobě je absorbovaacuten do atomoveacute mřiacutežky kovů Objemovaacute hustota takoveacuteho vodiacuteku je pak na uacuterovni vodiacuteku kapalneacuteho ale pokud vezmeme v potaz i samotnou hmotnost kovů pak je hustota mnohem nižšiacute V současneacute době je nejvyššiacute dosažitelnaacute hustota jen přibližně 007 kg H2kg kovu při vysokeacute teplotě Vodiacutek v pevneacutem stavu je nejbezpečnějšiacute cesta jak uskladnit energii zvlaacuteště pro stacionaacuterniacute a mobilniacute aplikace Hlavniacutem probleacutemem pro uskladněniacute vodiacuteku v pevneacutem stavu je samotnaacute vaacuteha naacutedržiacute vysokaacute desorpčniacute energie niacutezkaacute kinetika desorpce dlouhaacute doba nabiacutejeniacute vysokyacute tlak a přenos tepla Vodiacutek může byacutet skladovaacuten jako plyn při vysokyacutech tlaciacutech jako kapalina v kryogenniacutech zaacutesobniacuteciacutech jako plyn chemicky vaacutezanyacute (např v hydridech kovů) Na obraacutezku 14 je uveden objem vodiacuteku a hmotnost celeacuteho zařiacutezeniacute vztaženaacute k zmiacuteněnyacutem způsobům skladovaacuteniacute a daacutele v porovnaacuteniacute s benziacutenem metanolem a uchovaacutevaacuteniacutem energie v bateriiacutech (vztaženeacute na energetickyacute ekvivalent 990 000 Btu (1 044 500 kJ))

35

Obr 14 Objemoveacute a hmotnostniacute porovnaacuteniacute paliv odpoviacutedajiacuteciacutech energetickeacutemu ekvivalentu 990000 Btu [12]

Nejlepšiacute cestou skladovaacuteniacute vodiacuteku je jeho uloženiacute ve formě uhlovodiacutekovyacutech paliv ačkoliv tato varianta vyžaduje dodatečnyacute systeacutem jeho extrahovaacuteniacute Niacutezkaacute hustota vodiacuteku ve formě plynneacute i kapalneacute maacute za naacutesledek takeacute niacutezkou hodnotu hustoty energie Danyacute objem vodiacuteku tedy obsahuje meacuteně energie než stejnyacute objem jinyacutech paliv Proto se napřiacuteklad zvyšuje relativniacute skladovaciacute objem naacutedrže pro dosaženiacute daneacute dopravniacute vzdaacutelenosti Použitiacutem vodiacuteku v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků vyrovnaacutevaacuteme podmiacutenky s ostatniacutemi palivy tiacutem že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vyššiacute oproti uacutečinnosti spalovaciacutech motorů takže bude zapotřebiacute meacuteně paliva a tiacutem i energie k dosaženiacute stejneacuteho energetickeacuteho vyacutesledku [12] Přes niacutezkou objemovou energetickou hustotu disponuje vodiacutek nejvyššiacutem poměrem energie k hmotnosti ze všech paliv Avšak tuto vyacutehodu obvykle zastiňuje velkaacute hmotnost zaacutesobniacuteku a naacutevaznyacutech zařiacutezeniacute Většina zaacutesobniacuteků vodiacuteku je značně rozměrnyacutech a těžkyacutech mnohem viacutec než použiacutevaneacute naacutedrže pro benziacuten

36

či naftu [12] Existujiacute i dalšiacute noveacute metody uskladněniacute vodiacuteku jako aktivovanyacute povrch uhliacuteku pomociacute skleněnyacutech mikrokuliček a komplexů polyhydridů Tyto technologie zvyšujiacute objemovou hustotu skladovaacuteniacute vodiacuteku jsou ovšem staacutele vyviacutejeny a v průmyslu zatiacutem nebyly implementovaacuteny [11]

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu

Měrnaacute akumulačniacute kapacita vodiacuteku v plynneacutem stavu zaacutevisiacute na skladovaciacutem tlaku Při skladovaacuteniacute za normaacutelniacutech podmiacutenek je i přes vysokeacute spalneacute teplo vodiacuteku akumulačniacute kapacita relativně niacutezkaacute a to asi 128 MJm3 Pokud se tlak zvyacutešiacute na 10 MPa akumulačniacute kapacita pak bude 1200 MJm3 [10] Stlačenyacute vodiacutek se uskladňuje v tlakovyacutech lahviacutech podobnyacutech těm ktereacute jsou použiacutevaacuteny pro stlačenyacute zemniacute plyn Většina tlakovyacutech zaacutesobniacuteků maacute vaacutelcovyacute tvar s půlkulovyacutemi vypuklyacutemi dny V současneacute době je snaha budovat zaacutesobniacuteky uspořaacutedaneacute za sebou a deformovat vaacutelcovyacute tvar pro zvětšeniacute užitečneacuteho objemu Otvory ve středu půlkulovyacutech den pak umožňujiacute průtok plynu do tlakoveacute naacutedoby a jsou osazeny regulaacutetory a zaacutekladniacutemi prvky řiacutezeniacute průtoku Jeden osazenyacute koncovyacute prvek působiacute primaacuterně jako uzaviacuteraciacute ventil ačkoli obsahuje i pojistnyacute ventil a může daacutele obsahovat i sniacutemače teploty a tlaku pro měřeniacute veličin stavu plynu v zaacutesobniacuteku Druheacute osazeniacute je pak již složityacutem zařiacutezeniacutem ktereacute se sklaacutedaacute ze solenoidoveacuteho nebo elektromagnetickeacuteho ventilu manuaacutelniacuteho uzaviacuteraciacuteho ventilu jednosměrneacuteho ventilu a tlakoveacuteho pojistneacuteho ventilu [12] Elektromagnetickyacute ventil uzaviacuteraacute zaacutesobniacutek a izoluje naacutedobu v přiacutepadě že zařiacutezeniacute je mimo provoz Odstavovaciacute ventil uzavře průtok plynu ze zaacutesobniacuteku jestliže je průtok přiacuteliš velkyacute (např praskne-li trubka) Manuaacutelniacute uzaviacuteraciacute ventil umožňuje aby obsah zaacutesobniacuteku byl uzavřen nebo vypuštěn manuaacutelně v přiacutepadě poruchy elektromagnetickeacuteho ventilu Jednosměrnyacute ventil umožňuje plněniacute zatiacutemco elektromagnetickyacute ventil je uzavřen Pojistnyacute tlakovyacute ventil (na obou konciacutech vaacutelce) vypouštiacute obsah zaacutesobniacuteku v přiacutepadě kdy je vystaven působeniacute vysokyacutech vnitřniacutech tlaků či vysokyacutech okolniacutech teplot (např vystaveniacute ohni) Termiacutenem bdquovysokotlakyacute plynldquo obvykle označujeme plyn s tlaky vyššiacutemi jak 207 barg (3 000 PSIg) a to v přiacutepadě kdy hovořiacuteme o skladovaacuteniacute plynů

37

Obr 15 Konstrukce laacutehve Typu 3 [12] Tlaky vyššiacute jak 2 barg (30 PSIg) představujiacute dostatečnou hrozbu zraněniacute člověka a proto i o nich můžeme v terminologii hovořit jako o vysokyacutech Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky plynu musiacute byacutet konstruovaacuteny z tlustostěnnyacutech vysokopevnostniacutech materiaacutelů a musiacute byacutet velice trvaleacute Zaacutesobniacuteky jsou klasifikovaacuteny do čtyř typů v zaacutevislosti na použiteacutem konstrukčniacutem materiaacutelu viz tabulka 5 Obecně lze řiacuteci že čiacutem meacuteně použiteacuteho kovu tiacutem menšiacute hmotnost zaacutesobniacuteku Z tohoto důvodu je obvykle u vodiacutekovyacutech aplikaciacute použiacutevaacuten typ 3 na obraacutezku 15 V budoucnu však pravděpodobně ziacuteskaacute vyacutesadniacute postaveniacute typ 4 Specifickaacute hmotnost pak zaacutevisiacute individuaacutelně na vyacuterobě daneacuteho typu Jako referenčniacute objem bereme 35 ft3(100 l) U oceloveacuteho zaacutesobniacuteku typu 1 je hmotnost zaacutesobniacuteku přibližně 100 kg u typu 3 65 kg a v přiacutepadě typu 4 je hmotnost zaacutesobniacuteku cca 30 kg [12]

Typ lahve

Popis Hmotnostikovkompozit

Typ 1 Laacutehev kompletně z oceli a hliniacuteku 1000

Typ 2 Laacutehev s kovovyacutem pruhem z oceli čiacute hliniacuteku a s obručemi z kompozitniacuteho materiaacutelu

5545

Typ 3 Laacutehev zcela zabalenaacute do kompozitniacuteho materiaacutelu s tenkyacutemi vrstvami z oceli či hliniacuteku

2080

Typ 4 Laacutehev zcela zabalenaacute v kompozitniacutem materiaacutelu s plastickyacutemi vrstvami

0100

Tab 5 Klasifikace vysokotlakyacutech lahviacute na vodiacutek

38

Typ 3 ziacuteskaacutevaacute nejviacutece pevnosti z kompozitniacuteho obalu kteryacute je navinut kolem vnitřniacute vložky Kompozit se sklaacutedaacute z vysokopevnostniacutech vlaacuteken (obvykle uhliacutekatyacutech) jež jsou stmelena pryskyřiciacute (např epoxid) viz obraacutezek 15 Kombinace vlaacuteken a pryskyřice použiacutevaneacute pro tyto kompozitniacute zaacutesobniacuteky zaručujiacute extreacutemně vysokou odolnost Povrch kompozitu je meacuteně odolnyacute než povrch kovu a je viacutece naacutechylnyacute k fyzikaacutelniacutemu poškozeniacute (střih abraze naacuteraz atd) či chemickeacutemu poškozeniacute (čpavek kyseliny atd) avšak meacuteně naacutechylnyacute ke korozi Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky obvykle skladujiacute vodiacutek při 250 bar i když se zkoušejiacute zaacutesobniacuteky na provozniacute tlak 350 bar Současnyacute stav technologie jež je čaacutestečně ve stadiu vyacutevoje si dovoluje překračovat v testu roztrženiacute zaacutesobniacuteku hodnoty tlaku 1620 bar u zaacutesobniacuteku Typu 4 pak 700 bar Jakeacutekoliv plyny ktereacute se skladujiacute při těchto vysokyacutech tlaciacutech jsou extreacutemně nebezpečneacute a jsou schopny opouštět zaacutesobniacutek proudem plynu s explozivniacutemi uacutečinky sil nebo uvaacutedět do pohybu maleacute předměty jako projektily Neukotvenyacute zaacutesobniacutek se může změnit v raketu v přiacutepadě kdy plyn naacutehle začne proudit malyacutem otvorem Navzdory potenciaacutelniacutemu nebezpečiacute majiacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky velmi dobryacute stupeň bezpečnosti Provedeniacute zaacutesobniacuteku musiacute odpoviacutedat přiacutesnyacutem standardům a musiacute vydržet různeacute certifikačniacute testy Pro zajiacutemavost nesmiacute selhat během 13000 tlakovyacutech cyklech při 100 servisniacutem tlaku plus 5000 cyklů při 125 servisniacutem tlaku ani při 30 cyklech při 166 servisniacuteho tlaku Daacutele prochaacuteziacute testem na roztrženiacute zaacutesobniacuteku při 225 až 3 naacutesobku servisniacuteho tlaku Tlakovaacute laacutehev musiacute daacutele vydržet paacuted z vyacutešky naacuterazy naacuterazy kyvadlem a musiacute byacutet dokonce odolnaacute při vystaveniacute střelbě [12] Během vyacuteroby je každyacute zaacutesobniacutek vystaven hydrostatickyacutem tlakovyacutem testům a testům na těsnost vybraneacute zaacutesobniacuteky zadaneacute seacuterie jsou zkoušeny cyklickyacutemi a pevnostniacutemi testy uvedenyacutemi vyacutešeZaacutesobniacuteky jsou během vyacuteroby označeny je to jeden z nutnyacutech standardů vyacuteroby seacuteriovyacutem čiacuteslem servisniacutem a provozniacutem jmenovityacutem tlakem a datem zhotoveniacute U zaacutesobniacuteků jež nejsou vystavovaacuteny těžkyacutem externiacutem podmiacutenkaacutem a tlak plynu se pohybuje na jmenoviteacute hodnotě se očekaacutevaacute doba životnosti do 15 let nebo do 11 250 naplněniacute Inspekčniacute testy a testy těsnosti jsou rutinniacute součaacutesti uacutedržby Typickeacute mobilniacute aplikace použiacutevajiacute seacuterii zaacutesobniacuteků upevněnyacutech na společneacute rozvodneacute potrubiacute Při nominaacutelniacutem tlaku 250 bar systeacutem zaacutesobniacuteků vaacutežiacute asi čtyřikraacutet viacutece než srovnatelnyacute systeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute formě a zaujiacutemaacute viacutece než čtyřnaacutesobek prostoru V porovnaacuteniacute s benziacutenem je skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacute formě patnaacutectkraacutet naacuteročnějšiacute prostorově a třiadvacetkraacutet hmotnostně Řešeniacute probleacutemu pak vyžaduje napřiacuteklad pokrytiacute 50 střechy autobusu zaacutesobniacuteky vodiacuteku aby byly nahrazeny staacutevajiacuteciacute naacutedrže nafty Navzdory tomuto objemu je celkovaacute hmotnost vodiacuteku jen 40 až 50 kg a je zanedbatelnaacute v porovnaacuteniacute s hmotnostiacute zaacutesobniacuteků a externiacuteho vybaveniacute Skladovaacuteniacute plynu při ještě většiacutem tlaku daacutevaacute menšiacute skladovaciacute objem ale celkovaacute hmotnost zaacutesobniacuteku se přiacuteliš neměniacute jelikož zaacutesobniacuteky musiacute byacutet robustnějšiacute Současnyacute stav (2012) pro tento typ skladovaacuteniacute je 350 bar a hmotnostniacutem poměru 113 u zaacutesobniacuteku typu 4 Komprese plynu je energeticky naacuteročnyacute proces Čiacutem vyššiacute koncovyacute tlak tiacutem většiacute množstviacute energie je potřeba Avšak přiacuterůstek energie potřebneacute k dosaženiacute vyššiacuteho tlaku klesaacute takže počaacutetečniacute uacutesek zůstaacutevaacute energeticky intenzivnějšiacute čaacutestiacute procesu komprimaceVyvaacuteženiacute přiacuterůstku (snižovaacuteniacute) hustoty plynu při vyššiacutech tlaciacutech se staacutevaacute důležitou ekonomickou otaacutezkou v hospodařeniacute s energiiacute při vyššiacutech uacuterovniacutech komprese Užitečnou cestou k pochopeniacute energetickyacutech naacutekladů

39

na komprimaci je způsob jejich vyjadřovaacuteniacute procentem energie na komprimaci z celkoveacute energie obsaženeacute v zaacutesobniacuteku vodiacuteku Za teacuteto podmiacutenky je přibližnaacute spotřeba 5 z celkoveacute energie laacutetky v zaacutesobniacuteku při komprimaci na 350 bar Přesneacute množstviacute energie je samozřejmě zaacutevisleacute na průtoku a uacutečinnosti použiteacuteho kompresoru Ke skladovaacuteniacute vodiacuteku v podobě stlačeneacuteho plynu se využiacutevajiacute předevšiacutem podzemniacute poreacutezniacute zaacutesobniacuteky kolektory solneacute sloje či skalniacute dutiny Anglie a Francie majiacute dlouhodobou zkušenost na poli podzemniacuteho uskladněniacute vodiacuteku Britskyacute chemickyacute koncern ICI uskladňuje vodiacutek v třikraacutet pročištěneacute solneacute sloji v Teeside Vodiacutek je v teacuteto 366 m hlubokeacute sloji natlakovaacuten na 50 barů Od 1957 do 1974 GAZ DE FRANCE uskladňoval městskyacute plyn s obsahem vodiacuteku 50 v kolektoru s objemem 330 milioacutenů m3 Maleacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky jsou bez vyacutejimky provedeny jako nadzemniacute zařiacutezeniacute pro stlačenyacute plyn V průmysloveacutem sektoru se již vyskytla standardizace typů Vyacutesledkem jsou vaacutelcoviteacute zaacutesobniacuteky s maximaacutelniacutem provozniacutem tlakem 5 MPa a 28 m v průměrech ktereacute jsou k dostaacuteniacute s naacutesledujiacuteciacutemi deacutelkami (či vyacuteškami) 73 m (max obsah při 45 MPa je 1 305 Nm3) 108 m (max obsah 2 205 Nm3) a 19 m (max obsah 4 500 Nm3) V tomto přiacutepadě vyacutepočty pro energetickyacute obsah v hmotnostniacute či objemoveacute jednotce včetně samotneacuteho zaacutesobniacuteku vedou na hodnoty 024 ndash 031 kWhkg respektive 0135 kWhl [12] Podzemniacute zaacutesobniacuteky obdobneacute podzemniacutem zaacutesobniacuteků zemniacuteho plynu (v podzemniacutech kavernaacutech ve vodonosnyacutech vrstvaacutech ve vytěženyacutech ložisciacutech ropy apod) Skladovaacuteniacute vodiacuteku v těchto zaacutesobniacuteciacutech bude ovšem asi 3 x dražšiacute než skladovaacuteniacute zemniacuteho plynu převaacutežně kvůli menšiacute objemoveacute kapacitě vodiacuteku Nevyacutehoda takoveacuteho skladovaacuteniacute jsou ztraacutety ktereacute mohou dosaacutehnout až 3 procent ročně Tento typ uacuteložišť se již využiacutevaacute V Kielu se již od roku 1971 skladuje městskyacute plyn kteryacute obsahuje až 65 vodiacuteku v podzemniacutem zaacutesobniacuteku v hloubce 1330 m o objemu 32 000 m3 a tlaku 8 - 16 MPa [10] Nadzemniacute zaacutesobniacutekoveacute systeacutemy se běžně použiacutevajiacute v průmyslu zemniacuteho plynu v různyacutech rozměrovyacutech a tlakovyacutech uacuterovniacutech Běžneacute tlakoveacute lahve o objemu 50 litrů a tlaku 20 Mpa stacionaacuterniacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky s tlakem 20 MPa i většiacutem velkeacute kuloveacute zaacutesobniacuteky o objemu až 30 000 m3 a tlaku 12 - 16 Mpa Naacuteklady jsou u teacuteto metody dosti vysokeacute (komprese vysokotlakeacute naacutedoby) V přiacutepadě použitiacute v automobilu se tato metoda vykazuje rychlou dobou plněniacute a velkyacutem množstviacutem uskladněneacuteho vodiacuteku (na uacutekor bezpečnosti) Na plnou naacutedobu vodiacuteku vaacutežiacuteciacute okolo 40 kg s 39 kg vodiacuteku je auto schopno ujet až 600 km

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu

Systeacutemy skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute faacutezi překonaacutevajiacute mnoho probleacutemů spojenyacutech s objemem a hmotnostiacute při vysokotlakeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku avšak za cenu potřeby zajištěniacute kryogenniacutech teplot Kapalnyacute vodiacutek může byacutet skladovaacuten pod svyacutem bodem varu ktereacuteho za normaacutelniacutech podmiacutenek dosaacutehne při -252882 degC (20268 K) nebo takeacute bliacuteže podmiacutenek okolniacuteho tlaku v dvoustěnnyacutech super izolovanyacutech naacutedržiacutech neboli bdquodewarechldquo (Dewarovyacutech naacutedobaacutech) Tyto izolace jsou izolacemi vakuovyacutemi [12] Zaacutesobniacuteky tekuteacuteho vodiacuteku nepotřebujiacute vysokotlakeacute naacutedoby a proto nemusiacute byacutet tak robustniacute Vodiacutek nemůže byacutet skladovaacuten v zaacutesobniacuteciacutech neomezeně Všechny zaacutesobniacuteky bez ohledu na kvalitu izolace umožňujiacute transfer tepla mezi zaacutesobniacutekem a okoliacutem Velikost teplotniacute netěsnosti zaacutevisiacute na konstrukci a velikosti zaacutesobniacuteku

40

Tyto přiacutečiny přenosu tepla vedou k odpařovaacuteniacute vodiacuteku a zvyšovaacuteniacute tlaku Stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky kapalneacuteho vodiacuteku jsou stavěny nejčastěji ve formě kuloviteacute jelikož koule nabiacuteziacute nejmenšiacute povrch k daneacutemu objemu a proto nejmenšiacute plochu přestupu tepla [12] Zaacutesobniacuteky majiacute maximaacutelniacute konstrukčniacute přetlak kolem 5 bar v přiacutepadě že odběr vodiacuteku je menšiacute než jeho produkce a vypařovaacuteniacutem roste tlak v zaacutesobniacuteku až do hodnoty kdy je odveden pojistnyacutem ventilem Odplyněniacute sniacuteženiacute přetlaku tiacutemto způsobem neniacute jenom přiacutemou ztraacutetou využitelneacuteho paliva ale v přiacutepadě mobilniacutech jednotek i potenciaacutelniacute nebezpečiacute a to předevšiacutem v budovaacutech a garaacutežiacutech Současneacute automobiloveacute aplikace zaacutesobniacuteku kapalneacuteho vodiacuteku odvaacutedějiacute 1 až 2 za den Vodiacutek může byacutet čerpaacuten ze zaacutesobniacuteku buď jako kapalina nebo jako plyn V přiacutepadě že je použiacutevaacuten v jednotkaacutech s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem může byacutet kapalnyacute vodiacutek vstřikovaacuten přiacutemo do vaacutelce v zaacutevislosti na zvyšujiacuteciacutemsnižujiacuteciacutem se množstviacute spalovaneacuteho paliva a pracovniacutem zdvihu V přiacutepadě použitiacute v palivoveacutem člaacutenku plynnyacute vodiacutek může byacutet odčerpaacutevaacuten při odpoviacutedajiacuteciacutem tlaku pro zaacutesobovaacuteniacute daneacute reakce [12] Ačkoli skladovaacuteniacute kapalneacuteho vodiacuteku eliminuje nebezpečiacute spojenaacute s vysokotlakyacutem skladovaacuteniacutem plynů přinaacutešiacute daacutele nově vlastniacute nebezpečiacute spojenaacute s niacutezkyacutemi teplotami Vaacutežnaacute nebezpečiacute omrzlin existujiacute ve spojeniacute s kapalnyacutem vodiacutekem jeho paacuterami a kontaktniacutemi plochami Uhliacutekataacute ocel vystavenaacute teplotaacutem nižšiacutem -30 degC a to přiacutemo nebo nepřiacutemo se staacutevaacute křehkou a je naacutechylnaacute k lomu Vzduch může kondenzovat na povrchovyacutech plochaacutech ktereacute jsou podchlazeneacute může odkapaacutevat daacutele i na materiaacutely nebezpečneacute z pohledu vzniacuteceniacute požaacuteru nebo vyacutebuchu nebezpečiacute totiž spočiacutevaacute v naacutesledneacutem zvyacutešeniacute koncentrace [12] Zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je vzhledem k dosaacutehnutiacute extreacutemně niacutezkyacutech teplot energeticky velmi naacuteročnyacute intenzivniacute proces Zkapalňovaacuteniacute zahrnuje několik kroků Prvniacutem je komprese vodiacuteku v piacutestoveacutem kompresoru přechlazeniacute stlačeneacuteho plynu na teplotu zkapalněniacute dusiacuteku (-195 degC) naacutesleduje expanze přes turbiacutenu a posledniacutem krokem je katalytickaacute konverze na stabilniacute formu vodiacuteku Ve vyacutesledku je energie potřebnaacute k procesu zkapalněniacute ekvivalentem kteryacute překračuje 40 energetickeacute vztažneacute hodnoty vodiacuteku Kapalnou formu vodiacuteku lze relativně uacutečinně transportovat a lehce použiacutevat Je zřejmeacute že během zkapalňovaacuteniacute se vklaacutedajiacute do energie maximaacutelniacute investice a proto se jeviacute proziacuteraveacute skladovat a použiacutevat vodiacutek přiacutemo jako kapalinu kdykoli je to možneacute V zaacutevislosti na množstviacute zkapalňovaneacuteho vodiacuteku jsou použiacutevaacuteny různeacute zkapalňovaciacute metody Velkaacute zařiacutezeniacute obvykle využiacutevajiacute kombinace naacutesledujiacuteciacutech metod - turbiacutenovaacute Joule-Thomsonova či magnetokalorickaacute metoda Ve všech přiacutepadech je zkapalněniacute dosaženo kompresiacute naacutesledovaneacute určityacutem způsobem expanze buď nevratneacute využitiacutem škrtiacuteciacuteho ventilu či čaacutestečně vratneacute využitiacutem expanzniacuteho stroje Obvykle je použito 6 stupňů tepelneacuteho vyacuteměniacuteku přičemž prvniacute je chlazen tekutyacutem dusiacutekem V předposledniacutem kroku obstaraacutevaacute expanzi Joule-Thomsonův ventil Využitiacute magnetokalorickyacutech metod umožňuje přeměnu ortho-vodiacuteku na para-vodiacutek Po několika krociacutech je dosažen obsah para-vodiacuteku okolo 95 Para-vodiacutek maacute menšiacute energetickyacute obsah než ortho-vodiacutek[12] Způsob uskladněniacute kapalneacuteho vodiacuteku je obvykle proveden pomociacute uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků majiacuteciacutech perlitoveacute podtlakoveacute izolace V USA je mnoho obdobnyacutech zaacutesobniacuteků Největšiacute z nich patřiacute NASA a je situovaacuten na mysu Canaveral Tento zaacutesobniacutek maacute objem přibližně 3 800 m3 (přibližně 270 t LH2) Běžneacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky majiacute objemy od 1 500 l (přibližně 1 100 Nm3) až do 75 000 l

41

(přibližně 60 000 Nm3) V souvislosti s aktivitami tyacutekajiacuteciacutemi se dopravniacutech prostředků na vodiacutek byla v Německu vyvinuta malaacute přenosnaacute uskladňovaciacute zařiacutezeniacute Zaacutesobniacuteky pro automobily (umiacutestěneacute v testovanyacutech dopravniacutech prostředciacutech BMW) a autobusy (umiacutestěneacute v MAN-Bus SL202) jsou v současnosti vyraacuteběneacute pouze v maleacutem počtu Zaacutesobniacuteky pro autobusy se sklaacutedajiacute ze třiacute eliptickyacutech křiacutežiacuteciacutech se zaacutesobniacuteků každyacute o objemu 190 l odpoviacutedajiacuteciacute energetickeacutemu obsahu 450 kWh či 150 Nm3 plynneacuteho vodiacuteku při normaacutelniacutech podmiacutenkaacutech Dosažitelnaacute energetickaacute hustota je 45 kWhkg či 213 kWhl Zaacutesobniacuteky jsou konstruovaacuteny z 200 - 300 vrstev izolačniacutech foacuteliiacute dovolujiacuteciacutech odpařit okolo 1 zkapalněneacuteho plynu za den Nicmeacuteně toto množstviacute narůstaacute při spojeniacute několika zaacutesobniacuteků dohromady vlivem ztraacutet ve spojovaciacutem potrubiacute [12]

Obr 16 120 litrovaacute naacutedrž na tekutyacute vodiacutek firmy Linde [16]

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů

Systeacutemy skladovaacuteniacute v hydridech kovů se zaklaacutedajiacute na principu snadneacute absorpce plynu určityacutemi materiaacutely za podmiacutenek vysokeacuteho tlaku a miacuternyacutech teplot Tyto laacutetky pak uvolňujiacute vodiacutek jako plyn v přiacutepadě kdy jsou zahřiacutevaacuteny při niacutezkyacutech tlaciacutech a relativně vysokyacutech teplotaacutech V podstatě tyto materiaacutely kovy nasaacutevajiacute a uvolňujiacute vodiacutek jako bdquohoubaldquo Vyacutehoda skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů se soustřeďuje na skutečnost že vodiacutek se staacutevaacute součaacutestiacute chemickeacute struktury těchto kovů a proto daacutele neniacute požadovaacuten vysokyacute tlak nebo kryogenniacute teplota pro vlastniacute provoz [12] Vodiacutek se uvolňuje z hydridů pro použitiacute při niacutezkeacutem tlaku hydridy kovů jsou ve sveacute podstatě nejbezpečnějšiacute ze všech systeacutemů skladovaacuteniacute Existuje mnoho typů specifickyacutech hydridů kovů primaacuterně se však staviacute na kovovyacutech slitinaacutech hořčiacuteku niklu železa a titanu Hydridy kovů mohou byacutet rozděleny dle vysoko nebo niacutezkoteplotniacute desorpce vodiacuteku Vysokoteplotniacute hydridy jsou levnějšiacute a jsou schopneacute uchovaacutevat viacutece vodiacuteku než niacutezkoteplotniacute ale vyžadujiacute vyacuteznamně viacutece tepelneacute energie

42

pro uvolněniacute vodiacuteku Niacutezkoteplotniacute hydridy mohou na rozdiacutel od vysokoteplotniacutech hydridů ziacuteskat dostatek tepelneacute energie pro uvolněniacute vodiacuteku z vlastniacute jednotky ktereacute vyžadujiacute externiacute zdroj tepelneacute energie Niacutezkaacute teplota desorpce ve spojeniacute s niacutezkoteplotniacutemi hydridy může byacutet probleacutemem vzhledem k přiacuteliš snadneacutemu uvolňovaacuteniacute plynu za okolniacutech podmiacutenek K překonaacuteniacute těchto probleacutemů musiacute byacutet niacutezkoteplotniacute hydrid kovu pod tlakem čiacutemž vzrůstaacute komplikovanost procesu Typickeacute charakteristiky hydridů kovů jsou shromaacutežděny v tabulce 6

Charakteristika NiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacute VysokoteplotniacuteVysokoteplotniacuteVysokoteplotniacute

T i 2 N i -H25

F e T i -H25

VH-VH2 L a N i 5 -H67

M g C u -H3

M g 2 N i -H4

Mg-H

Množs tv iacute s l i t i ny absorbujiacuteciacute H2 []

161 187 192 155 267 371 825

Množstviacute hydridu s c h o p n eacute h o absorbovat energii jako z 1l benziacutenu [kg]

155 134 130 161 - 675 35

Množstviacute slitiny k akumulaci 25 kg vodiacuteku [kg]

217 188 182 225 - 95 50

Desorpčniacute teplota při tlaku 15 barg [degC]

-3 7 15 21 245 267 296

Doplňovaacuteniacute snadneacute - - těžkeacute - těžkeacute těžkeacute

Tab 6 Charakteristika použiacutevanyacutech hydridů kovu [12]

Hlavniacute nevyacutehodou skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů neniacute jen teplota a tlak nutnyacute pro extrakci vodiacuteku ale i jejich niacutezkaacute hustota energie Dokonce i ty nejlepšiacute hydridy obsahujiacute jen 8 hmotnostniacutech procent vodiacuteku Majiacute proto velkou hmotnost a naviacutec jsou draheacute Systeacutem s hydridem kovu může byacutet až třicetkraacutet těžšiacute a desetkraacutet objemnějšiacute než naacutedrž s benziacutenem stejneacuteho energetickeacuteho obsahu Dalšiacute nevyacutehodou systeacutemů na baacutezi hydridu kovu je nutnost použiacutevat jen velmi čistyacute vodiacutek jinak dojde ke kontaminaci hydridu s naacuteslednou ztraacutetou kapacity Kysliacutek a voda jsou prvotniacutemi činiteli jelikož se chemicky adsorbujiacute na povrch kovů a nahrazujiacute potenciaacutel vodiacutekovyacutech vazeb Sniacuteženiacute kapacity kontaminaciacute může byacutet do určiteacute miacutery reaktivovaacuteno teplem Dalšiacute probleacutemy spojeneacute s hydridy kovů souvisiacute s jejich strukturou Typickeacute provedeniacute se naleacutezaacute ve formě zrniteacute granulovaneacute nebo praacuteškoveacute struktury kteraacute tak poskytuje co největšiacute plochu pro kontakt s plynem Tyto čaacutestice jsou naacutechylneacute na abrazi jež u obojiacuteho vede k redukci jejich efektivity a může veacutest k ucpaacuteniacute profilu přepouštěciacutech ventilů nebo trubek Žaacutednyacute specifickyacute materiaacutel nemaacute vynikajiacuteciacute vlastnosti ve všech požadovanyacutech směrech (vysokaacute kapacita absorpce vysokaacute hustota energie malaacute potřeba tepla a niacutezkeacute naacuteklady) Z tohoto důvodu se použiacutevaacute směs různyacutech vysoko a niacutezkoteplotniacutech hydridů kdy se vyrovnaacutevajiacute vyacutehody a nevyacutehody různyacutech typů při různyacutech podmiacutenkaacutech provozu [12]

43

Obr 17 Vlastnosti vybranyacutech hydridů [8]

331 Hydridy alkalickyacutech zemin

Noveacute variace hydridů ktereacute nabiacutezejiacute vyacutehodnějšiacute vlastnosti oproti předchoziacutem metodaacutem se tyacutekajiacute peletizovanyacutech sodiacutekovyacutech drasliacutekovyacutech a lithnyacutech složek Tyto složky hydridů reagujiacute s vodou za vyacutevinu vodiacuteku bez nutnosti dodaacutevaacuteniacute tepelneacute energie Nejpokročilejšiacute komerčně vyviacutejenyacute systeacutem vyžaduje použitiacute hydroxidu sodneacuteho jenž je hojně k dispozici jakožto odpadniacute materiaacutel z průmysloveacute vyacuteroby papiacuteru plastu z ropneacuteho průmyslu a jinyacutech Hydroxid sodnyacute je převeden na hydrid sodnyacute(NaH) za přiacutevodu tepla naacutesledovně

2NaOH + tepenerrarr 2NaH +O2

NaH potom může byacutet peletizovaacuten tyto pelety se pokryacutevajiacute vodě-odolnyacutem plastem nebo povlakem Sodiacutek se tak staacutevaacute neaktivniacutem a lze ho potom jednoduše transportovat Pro uvolněniacute vodiacuteku je ochrannyacute povlak rozrušovaacuten a naacutesleduje reakce s vodou

NaH (s)+ H2O(l)rarr NaOH (l)+ H2 (g) Tato reakce probiacutehaacute poměrně rapidně a vodiacutek z teacuteto reakce maacute tlak kolem 8-10 bar Hydroxid sodnyacute lze ziacuteskat zpět a může byacutet opětovně použiacutevaacuten v procesu Vyacutehoda tohoto uchovaacutevaacuteniacute vodiacuteku oproti ostatniacutem hydridům je absence potřeby tepla pro uvolněniacute vodiacuteku Tento proces je relativně jednoduchyacute a z toho plyne i jednoduššiacute konstrukce takoveacuteho procesniacuteho zařiacutezeniacute Nevyacutehodou tohoto procesu jsou komplikace spojeneacute s mechanickyacutem rozrušovaacuteniacutem pelet kontrolovanyacutem způsobem a naacutesledneacute využitiacute odpadniacutech materiaacutelů kteryacute obklopuje odpadniacute hydroxid sodnyacute a použiteacute plastoveacute obaly pelet Proces využiacutevajiacuteciacute kombinaci generovaacuteniacute vodiacuteku a skladovaacuteniacute pro jednoraacutezoveacute použitiacute Stejně jako u elektrolyacutezy je vodiacutek

44

v hydridu sodneacutem nositel energie ne však jejiacute zdroj Hydroxid sodnyacute se nachaacuteziacute v niacutezkeacutem energetickeacutem stavu a musiacute byacutet přenesen do vyššiacuteho stavu pomociacute dodaacuteniacute tepelneacute energie

34 Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku

V současnosti se se zkoumajiacute dalšiacute skladovaciacute metody vodiacuteku jako je adsorpce na uhliacutekovyacutech poreacutezniacutech strukturaacutech skleněneacute mikrosfeacuterya oxidačniacute technologie železa Tyto metody jsou použiacutevaacuteny pouze laboratorněa jejich nasazeniacute do komerčniacute sfeacutery ještě nelze v bliacutezkeacute budoucnosti očekaacutevat

341 Uhliacutekovaacute adsorpce

Uhliacutekovaacute adsorpce je založena na slučitelnosti uhliacuteku a vodiacutekovyacutech atomů Vodiacutek je čerpaacuten do kontejnerů se substraacutetem malyacutech karbonovyacutech čaacutestic kde je vaacutezaacuten molekulaacuterniacutemi silami Tato metoda silně připomiacutenaacute metodu skladovaacuteniacute v hydridech kovů je ovšem zdokonalena v oblasti niacutezkyacutech teplot kde se uvažuje rozdiacutel mezi tekutyacutem vodiacutekem a chemickou vazbou Uhliacutek adsorbuje při teplotaacutech -185 až -85 degC a tlaciacutech 21 až 48 bar Velikost adsorpce uhliacutekem se zvyšuje s nižšiacutemi teplotami Teplo při překročeniacute teplotniacute hranice 150degC uvolňuje vodiacutek

342 Technologie uhliacutekovyacutech nanovlaacuteken

Laboratorniacute vyacutesledky ukazujiacute tuto metodu jako velmi nadějnou pro budouciacute použitiacute Vodiacutek uskladněnyacute ve sloučenině může dosaacutehnout až 70 celkoveacute vaacutehy sloučeniny Typickeacute hydridy kovů jsou schopny přijmout 2-4 vaacutehy sloučeninyv hmotnostně těžkeacute struktuře Pokud by tyto vyacutesledky byly reaacutelně prokaacutezaacuteny potom vozidla použiacutevajiacuteciacute vodiacutekoveacute palivoveacute člaacutenky budou schopny ujet až 5000 km bez potřeby doplněniacute paliva Tiacutem by se vyřešil probleacutem chybějiacuteciacute infrastruktury distribuce vodiacuteku Takoveacute palivo by se mohlo skladovat ve skladištiacutech nebo posiacutelat prostřednictviacutem přepravniacutech služeb

343 Skleněneacute mikrosfeacutery Systeacutemy skleněnyacutech mikrosfeacuter použiacutevajiacute maleacute skleněneacute sfeacutery (kuličky)s průměrem menšiacutem než 100 microm jež jsou schopny odolat tlakům až 1 000 MPa Vodiacutek je do nich nuceně vhaacuteněn velmi vysokyacutemi tlaky Jakmile je vodiacutek uskladněn kuličky je možno ponechat v podmiacutenkaacutech okolniacuteho prostřediacute bez ztraacutet vodiacuteku Přivedeniacute nevelkeacuteho množstviacute tepelneacute energie se uvolňuje vodiacutek zpět Pro zajištěniacute zvyacutešeniacute rychlosti uvolňovaacuteniacute vodiacuteku ze skleněnyacutech mikrosfeacuter se provaacutediacute experimenty i formou drceniacute kuliček [12]

344 Oxidace železa

Oxidace železa je proces při ktereacutem se vodiacutek vytvaacuteřiacute reakciacute poacuteroviteacuteho železa (surovaacute ingredience pro ocelaacuteřskeacute pece) s vodniacute paacuterou Reakce potom lze popsat naacutesledujiacuteciacutem rovnicemi

Fe+ H2Oharr FeO + H2

45

3FeO + H2Oharr Fe3O4 + H2

Vedlejšiacutem produktem tohoto procesu je rez Jakmile železo plně zkoroduje je potřeba ho vyměnit za noveacute Produkty reakce jsou přeměněny na původniacute formu Paacuteru a tepelnou energii potřebnou pro průběh reakce lze ziacuteskaacutevat pomociacute spalovaciacute jednotky nebo v přiacutepadě palivovyacutech člaacutenků z jejich chladiacuteciacuteho okruhu (meacutedia) Ačkoliv je ocel levnaacute jejiacute hmotnost činiacute tuto metodu nevyacutehodnou Efektivniacute hmotnost paliva vůči celkoveacute hmotnosti systeacutemu uskladněniacute je 45 Vlastniacute reakce probiacutehaacute při teplotě 80 - 200 degC

46

4Palivoveacute člaacutenky

Za objevitele principu palivoveacuteho člaacutenku je považovaacuten Sir William Grove přičemž datum objevu se datuje do roku 1839 Během konce 19 a počaacutetku 20 stoletiacute se vědci pokoušeli objevit noveacute typy palivovyacutech člaacutenků kombinujiacutece přitom různaacute paliva a elektrolyty Avšak většinou bezvyacutesledně Rozvoj v teacuteto oblasti nastal až kolem poloviny 20 stoletiacute v důsledku snah najiacutet alternativniacute zdroje pro vesmiacuterneacute lety Gemini a Apollo Ale i tyto pokusy byly zpočaacutetku neuacutespěšneacute Až roku 1959 předvedl Francis T Bacon prvniacute plně fungujiacuteciacute palivovyacute člaacutenek Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (PEM FC ndash Proton Exchange Membrane Fuel Cells) byly poprveacute použity společnostiacute NASA v roce 1960 jako součaacutest vesmiacuterneacuteho programu Gemini Tyto palivoveacute člaacutenky využiacutevaly jako reakčniacute plyny čistyacute kysliacutek a čistyacute vodiacutek Byly maleacute a draheacute (a tedy komerčně neefektivniacute) Zaacutejem NASA stejně jako energetickaacute krize v roce 1973 zvyacutešili zaacutejem o alternativniacute druhy ziacuteskaacutevaacuteniacute energie a tiacutem došlo k překotneacutemu vyacutevoji v oblasti palivovyacutech člaacutenků Předevšiacutem diacuteky tomuto tlaku našly tyto člaacutenky uacutespěšneacute uplatněniacute v různorodyacutech aplikaciacutech

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků Palivoveacute člaacutenky zpracovaacutevajiacute pouze čistyacute vodiacutek Teoreticky pracujiacute bez škodlivyacutech laacutetek Produktem reakce jsou kromě elektrickeacute energie takeacute vodaa teplo V přiacutepadě že palivoveacute člaacutenky využiacutevajiacute plynnou reformačniacute směs bohatou na vodiacutek vznikajiacute škodliveacute zplodiny avšak těchto zplodin je meacuteně než těch ktereacute vznikajiacute v přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem využiacutevajiacuteciacutech jako zdroj energie konvenčniacute fosilniacute paliva Motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem ktereacute spalujiacute směsi chudeacute na vodiacutek a vzduch jsou rovněž schopneacute dosaacutehnout niacutezkeacute hladiny škodlivin avšak u těchto strojů dochaacuteziacute současně ke spalovaacuteniacute mazaciacuteho oleje což maacute za naacutesledek naacuterůst škodlivyacutech emisiacute Palivoveacute člaacutenky pracujiacute s vyššiacute termodynamickou uacutečinnostiacute než tepelneacute motory Tepelneacute motory přeměňujiacute chemickou energii na teplo prostřednictviacutem spalovaacuteniacute a využiacutevajiacute toho že teplo konaacute praacuteci Se zvyacutešeniacutem teploty horkeacuteho plynu vstupujiacuteciacuteho do motoru a se sniacuteženiacutem teploty chladneacuteho plynu po expanzi se zvyacutešiacute i termodynamickaacute uacutečinnost Teoreticky lze tedy navyacutešit horniacute teplotu libovolnyacutem množstviacutem tepla dle požadovaneacute termodynamickeacute uacutečinnosti zatiacutemco dolniacute hranice teploty nemůže nikdy klesnout pod teplotu okoliacute Avšak ve skutečnyacutech tepelnyacutech motorech je horniacute teplota limitovaacutena použityacutemi materiaacutely Kromě toho motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem majiacute vstupniacute teplotu rovnu pracovniacute teplotě kteraacute je mnohem nižšiacute než teplota vzplanutiacute Palivoveacute člaacutenky nepoužiacutevajiacute proces spalovaacuteniacute jejich uacutečinnost neniacute spjata s jejich maximaacutelniacute provozniacute teplotou Vyacutesledkem je že uacutečinnost přeměny energie může byacutet vyacuterazně většiacute než skutečnaacute reakce spalovaacuteniacute Kromě vyššiacute relativniacute tepelneacute uacutečinnosti palivoveacute člaacutenky vykazujiacute takeacute vyššiacute uacutečinnost oproti tepelnyacutem motorům při jejich čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky nevykazujiacute ostreacute propady v uacutečinnosti jak je tomu v přiacutepadě velkyacutech elektraacuteren Tepelneacute motory dosahujiacute nejvyššiacute uacutečinnosti při praacuteci v navrhovaneacutem provozniacutem stavu a vykazujiacute rapidniacute poklesy uacutečinnosti při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky majiacute vyššiacute uacutečinnost při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute než při zatiacuteženiacute plneacutem Takeacute změny uacutečinnosti jsou v celeacutem provozniacutem rozsahu menšiacute Palivoveacute člaacutenky vykazujiacute dobreacute dynamickeacute charakteristiky Stejně jako baterie jsou takeacute palivoveacute člaacutenky pevnaacute statickaacute zařiacutezeniacute kteraacute reagujiacute na změny v elektrickeacute

47

zaacutetěži okamžitě změnami chemickyacutemi Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute na čistyacute vodiacutek majiacute vynikajiacuteciacute celkovou odezvu Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute s reformaacutetem (nejčastěji palivo na baacutezi uhlovodiacuteků) a využiacutevajiacute palubniacute reformer mohou miacutet tuto odezvu pomalou zvlaacuteště při použitiacute techniky parniacuteho reformingu (metoda zpracovaacuteniacute reformaacutetu nejčastěji za vzniku vodiacuteku a oxidů uhliacuteku) V přiacutepadě použitiacute palivovyacutech člaacutenků jako generaacutetorů elektrickeacute energie vyžadujiacute tyto člaacutenky meacuteně energetickyacutech přeměn než tepelneacute motory Jestliže budou použity jako zdroje mechanickeacute energie potom požadujiacute stejneacute množstviacute přeměn ačkoliv jednotliveacute transformace se odlišujiacute od těch jež probiacutehajiacute v přiacutepadě tepelnyacutech motorů Palivoveacute člaacutenky jsou vhodneacute pro mobilniacute aplikace pracujiacuteciacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech (typickeacute jsou teploty nižšiacute než 100 degC) Provoz při nižšiacutech teplotaacutech se vyznačuje většiacute bezpečnostiacute a kraacutetkyacutem zahřiacutevaciacutem časem Naviacutec termodynamickaacute uacutečinnost elektrochemickeacute reakce je podstatně vyššiacute než uacutečinnost přeměny energie chemickyacutech vazeb na energii elektrickou pomociacute tepelnyacutech motorů Nevyacutehodou se však jeviacute obtiacutežnyacute odvod odpadniacuteho tepla kteryacute musiacute byacutet zajištěn většiacutem chladiacuteciacutem systeacutemem a i přes vysokeacute provozniacute teploty pomalyacute proces elektrochemickeacute reakce Palivoveacute člaacutenky mohou byacutet použity v kogeneračniacutech aplikaciacutech Kromě elektrickeacute energie produkujiacute palivoveacute člaacutenky takeacute čistou horkou vodu a teplo Palivoveacute člaacutenky nevyžadujiacute dobiacutejeniacute avšak musiacute mu byacutet dodaacutevaacuteno palivo což je ovšem mnohem rychlejšiacute než dobiacutejeniacute bateriiacute Mohou takeacute poskytovat většiacute rozsah (delšiacute doba poskytovaacuteniacute elektrickeacute energie) v zaacutevislosti na velikost naacutedrže s palivem a oxidantem Palivoveacute člaacutenky majiacute niacutezkeacute opotřebeniacute a vysokou životnost (někteřiacute vyacuterobci udaacutevajiacute až desetitisiacutece hodin) Nejsou přiacutetomny pohybliveacute čaacutesti z čehož vyplyacutevaacute tichyacute chod palivovyacutech člaacutenků a schopnost snaacutešet i značnaacute přetiacuteženiacute Proti klasickyacutem elektrochem akumulaacutetorům použiacutevanyacutem v současnyacutech elektromobilech majiacute palivoveacute člaacutenky vyššiacute dojezdovou vzdaacutelenost Vyřazeneacute palivoveacute člaacutenky na rozdiacutel od akumulaacutetorů nezatěžujiacute životniacute prostřediacute těžkyacutemi kovy

42 Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků

Vodiacutek kteryacute je ekologicky prospěšnyacute se velmi obtiacutežně vyraacutebiacute a uskladňuje Současneacute vyacuterobniacute procesy jsou draheacute a energeticky naacuteročneacute naviacutec často vychaacutezejiacute z fosilniacutech paliv Efektivniacute infrastruktura dodaacutevky vodiacuteku nebyla ještě ani vytvořena Systeacutemy uskladňujiacuteciacute plynnyacute vodiacutek se vyznačujiacute obrovskyacutemi rozměry a obtiacutežnyacutem přizpůsobeniacutem energeticky niacutezkeacute objemoveacute hustotě vodiacuteku Systeacutemy uskladňujiacuteciacute tekutyacute vodiacutek jsou mnohem menšiacute a lehčiacute ovšem musiacute byacutet provozovaacuteny za kryogenniacutech teplot Možnost představuje takeacute uskladněniacute vodiacuteku pomociacute uhlovodiacuteků a alkoholů odkud může byacutet uvolňovaacuten dle požadavku diacuteky palubniacutemu reformeru Je pravdou že toto uskladněniacute manipulaci s vodiacutekem zjednodušiacute avšak některeacute ekologickeacute vyacutehody budou nenaacutevratně ztraceny (praacutevě diacuteky využitiacute uhlovodiacuteků či alkoholů a s tiacutem souvisejiacuteciacute emise COx) Palivoveacute člaacutenky požadujiacute čisteacute palivo bez specifickyacutech znečišťujiacuteciacutech laacutetek Tyto laacutetky jako jsou siacutera a uhliacutekoveacute sloučeniny či zbytkovaacute tekutaacute paliva (v zaacutevislosti na typu palivoveacuteho člaacutenku) mohou poškodit katalyzaacutetor palivoveacuteho člaacutenku čiacutemž přestaacutevaacute samotnyacute člaacutenek fungovat V přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem nezpomaluje ani jedna z těchto škodlivyacutech laacutetek samotnyacute proces spalovaacuteniacute

48

Palivoveacute člaacutenky se hodiacute pro automobiloveacute aplikace Ty jsou typickeacute svyacutem požadavkem platinoveacuteho katalyzaacutetoru pro podporu reakce při ktereacute se vyraacutebiacute elektrickaacute energie Platina je vzaacutecnyacute kov a je velmi drahaacute Za diacutelčiacute nevyacutehody lze poklaacutedat i skutečnost že vyacutekon odebiacuteranyacute z 1 cm2 elektrod je zatiacutem niacutezkyacute Palivoveacute člaacutenky produkujiacute v průběhu vyacuteroby elektrickeacute energie čistou vodu Většina palivovyacutech člaacutenků vhodnyacutech pro automobiloveacute aplikace takeacute využiacutevaacute jako reaktanty vlhkeacute plyny I nepatrnaacute zbytkovaacute voda v palivoveacutem člaacutenku může přitom způsobit nevratnou zničujiacuteciacute expanzi v přiacutepadě vystaveniacute mrazu Při provozu vyraacutebějiacute palivoveacute člaacutenky dostatečneacute teplo zabraňujiacuteciacute mrznutiacute při okolniacutech teplotaacutech pod bodem mrazu V přiacutepadě že jsou za mraziveacuteho počasiacute palivoveacute člaacutenky vypnuty musiacute byacutet trvale vyhřiacutevaacuteny či z nich musiacute byacutet kompletně odstraněna zbytkovaacute voda před tiacutem než člaacutenek zmrzne Z tohoto důvodu musiacute byacutet dopravniacute prostředek převezen do zahřiacutevaciacuteho zařiacutezeniacute nebo je nezbytně nutneacute instalovat v jeho bliacutezkosti horkovzdušneacute ohřiacutevaciacute zařiacutezeniacute Palivoveacute člaacutenky vyžadujiacute kontinuaacutelniacute odstraňovaniacute zplodin chemickyacutech reakciacute jejichž množstviacute zaacutevisiacute na velikosti odebiacuteraneacuteho proudu (odčerpaacutevaacuteniacute vody vodniacute paacutery či produktů oxidace) vyžadujiacute takeacute složiteacute řiacutediacuteciacute systeacutemy a uvedeniacute do provozu může trvat několik minut

43 Princip funkce palivovyacutech člaacutenků

Palivovyacute člaacutenek je ve sveacute podstatě zařiacutezeniacute ktereacute produkuje elektřinu po celou dobu kdy je mu dodaacutevaacuteno palivo V palivoveacutem člaacutenku dochaacuteziacute ke transformaci uloženeacute chemickeacute energie paliva do elektrickeacute energie Rozdiacutel mezi spalovaciacutem motorem a palivovyacutem člaacutenkem je daacuten rozdiacutelnyacutem způsobem přeměny energie Ve spalovaciacutem motoru dochaacuteziacute ke spaacuteleniacute paliva naacutesledneacutemu uvolněniacute tepla Teplo je daacutele přeměněno na mechanickou energii a teprve mechanickaacute energie je přeměněna na energii elektrickou Každaacute přeměna v tomto cyklu maacute za naacutesledek určitou ztraacutetu energie V kontrastu s tiacutemto cyklem palivoveacute člaacutenky fungujiacute velmi jednoduše a efektivně K produkci elektřiny dochaacuteziacute pomociacute chemickeacute reakce V jednoducheacutem palivoveacutem člaacutenku probiacutehajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 rarr 2H + + 2eminus

12O2 + 2H

+ + 2eminus rarr H2O

Protony prochaacuteziacute elektrolytem a na katodě se spojiacute s kysliacutekem nejčastěji vzdušnyacutem a utvořiacute tak vodu Elektrony jsou směrovaacuteny externiacutem okruhem kde vytvaacuteřejiacute stejnosměrneacute proud Tyto zařiacutezeniacute mohou dosaacutehnout uacutečinnost až 40 Palivoveacute člaacutenky jsou schopny pracovat nejen s čistyacutem vodiacutekem ale takeacute s reformovanyacutemi palivy jako je metan jelikož v nich neniacute oxid uhličityacute Vyacutekon systeacutemu palivovyacutech člaacutenků může byacutet popsaacuten zaacutevislostiacute proudu a napětiacute Je prezentovaacuten ve formě grafu nazvanyacutem proud-napěťovaacute křivka Vyacutestupniacute napětiacute je funkciacute proudu normalizovaneacute plochou člaacutenku udaacutevajiacuteciacute proudovou hustotu Ideaacutelniacute palivovyacute člaacutenek by dodal jakeacutekoliv množstviacute proudu při udrženiacute konstantniacuteho napětiacute určeneacuteho termodynamikou procesu V opravdoveacutem světě je skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute nižšiacute než termodynamicky určeneacute napětiacute ideaacutelniacute tento rozdiacutel je způsoben nevyhnutelnyacutemi ztraacutetami v systeacutemu Ztraacutety jsou kompenzovaacuteny dodaniacutem vyššiacuteho proudu palivovyacutem člaacutenkem

49

Čiacutem většiacute množstviacute proudu je potřeba ziacuteskat z palivovyacutech člaacutenků tiacutem většiacute jsou nevratneacute ztraacutety způsobujiacuteciacute pokles vyacutestupniacuteho napětiacute Existujiacute 3 hlavniacute typy ztraacutet v palivovyacutech člaacutenciacutech

1 Aktivačniacute ztraacutety - v důsledku elektrochemickeacute reakce2 Odporoveacute ztraacutety - v důsledku iontoveacuteho a elektronoveacuteho vedeniacute3 Koncentračniacute ztraacutety - v důsledku pohybu hmoty

Vyacutestupniacute napětiacute je tedy funkciacute termodynamicky předpoklaacutedaneacuteho napětiacute a jednotlivyacutech zraacutet a může byacutet vyjaacutedřeno naacutesledovně

V = Ethermo minusηakt minusηodp minusηkonc

kde V - skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute Ethermo - termodynamicky určeneacute napětiacute ηakt - aktivačniacute ztraacutety ηodp - odporoveacute ztraacutety ηkonc - koncentračniacute ztraacutety Vyacutekon palivoveacuteho člaacutenku je pak určen podle vztahu

P = i sdotVkde P - vyacutekon [W] i - proudovaacute hustota [Acm2] V - napětiacute [V] Dalšiacute charakteristikou palivoveacuteho člaacutenku je křivka vyacutekonoveacute hustoty kteraacute ukazuje vyacutekonovou hustotu dodanou palivovyacutem člaacutenkem jako funkci proudoveacute hustoty Schematicky je tato zaacutevislost znaacutezorněna na obraacutezku 18

Obr 18 Křivka vyacutekonoveacute hustoty [8]

Vyacutekonovaacute hustota palivoveacuteho člaacutenku roste s rostouciacute proudovou hustotou dosaacutehne maxima a poteacute dochaacuteziacute k poklesu při staacutele vysokeacute proudoveacute hustotě Palivoveacute člaacutenky jsou navrhovaacuteny pro praacuteci v nebo těsně pod maximem vyacutekonoveacute hustoty Při proudoveacute hustotě pod maximem vyacutekonoveacute hustoty se zlepšuje uacutečinnost

50

napětiacute ale klesaacute vyacutekonovaacute hustota Při proudoveacute hustotě vyššiacute než je maximum vyacutekonoveacute hustotě klesaacute uacutečinnost napětiacute a vyacutekonovaacute hustota Potenciaacutel systeacutemu vykonaacutevat elektrickou praacuteci je měřen pomociacute napětiacute normaacutelniacuteho stavu vratneacuteho napětiacute je

E0 = minus Δgrxn0

n sdotFkde Δg0rxn je změna Gibssovy volneacute energie n počet molů přenesenyacutech elektronů F Faradayova konstanta Při standardniacutech podmiacutenkaacutech je maximaacutelniacute napětiacute ziacuteskaneacute pro vodiacuteko-kysliacutekoveacute palivo rovnu 123 V Pro ziacuteskaacuteniacute použitelneacuteho napětiacute jsou tak palivoveacute člaacutenky spojovaacuteny do seacuteriiacute Vratneacute napětiacute palivoveacuteho člaacutenku vysoce na provozniacutech podmiacutenkaacutech jako je teplota tlak a chemickaacute aktivita Korelace napětiacute a teploty je reprezentovaacutena naacutesledujiacuteciacute rovniciacute

dEdT

= Δsn sdotF

kde Δs je změna entropie pro palivoveacute člaacutenky je entropie negativniacute vratneacute napětiacute maacute potom tendenci klesat s rostouciacute teplotou Napětiacute se měniacute se změnou tlaku podle vztahu

dEdp

= minus Δvn sdotF

kde Δv je změna objemu Změna vratneacuteho napětiacute s tlakem je spojena se změnou objemu reakce Pokud je změna objemu reakce zaacutepornaacute potom napětiacute roste s rostouciacutem tlakem Tlak a teplota majiacute minimaacutelniacute vliv na vratneacute napětiacute Chemickaacute aktivita maacute vyacuteznamnějšiacute vliv kteryacute se daacute určit pomociacute Nernstovi rovnice

E = E0 minus R sdotTn sdotF

lnaprodviprodareakviprod

Nernstova rovnice uvaacutediacute vztah mezi ideaacutelniacutem standardniacutem potenciaacutelem E0

pro reakci ve člaacutenku ideaacutelniacute rovnovaacutehou potenciaacutelu E při jinyacutech teplotaacutech a parciaacutelniacutem tlaku reaktantů a produktu Jakmile je znaacutem ideaacutelniacute standardniacute potenciaacutel lze určit i ideaacutelniacute napětiacute pro různeacute teploty a tlaky podle Nernstovi rovnice Z teacuteto rovnice pro vodiacutekovou reakci plyne že ideaacutelniacute potenciaacutel člaacutenku při daneacute teplotě může byacutet zvyacutešen pomociacute provozu za vyššiacuteho tlaku reaktantů Nernstova rovnice plně nevysvětluje vliv teploty

44 Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků

Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je funkce napětiacute člaacutenku Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je

ε termo =ΔGΔH

kde ΔG je Gibbsova volnaacute energie ΔH je entalpie Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku určena z tohoto vztahu se rovnaacute 83 Skutečneacute napětiacute při provozu palivoveacuteho člaacutenku je menšiacute než reversibilniacute potenciaacutel to maacute za naacutesledek že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vždy nižšiacute než teoretickaacute Tento jev je způsoben ztraacutetami při využitiacute paliva a ztraacutetami napětiacute Skutečnou uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku můžeme určit ze vztahu

51

ε skut = ε termo sdotεnapeti sdotε palivo

kde εtermo je reversibilniacute termodynamickaacute uacutečinnost člaacutenku εnapeti je uacutečinnost napětiacute a εpalivo ztraacutety při utilizaci paliva Uacutečinnost napětiacute zahrnuje ztraacutety způsobeny nevratnyacutem kinetickyacutem efektem v palivoveacutem člaacutenku Je to poměr mezi provozniacutem napětiacute palivoveacuteho člaacutenku V a termodynamickeacuteho reversibilniacuteho napětiacute člaacutenku E

εnapeti =VE

Uacutečinnost utilizace paliva vyjadřuje fakt že ne všechno palivo dodaneacute do člaacutenku se bude podiacutelet na elektrochemickeacute reakci Uacutečinnost je poměr paliva použiteacuteho na produkci daneacuteho množstviacute elektrickeacute energie ku celkoveacutemu množstviacute paliva dodaneacuteho do palivoveacuteho člaacutenku kde i je proud generovaacuten palivovyacutem člaacutenkem a vpalivo je rychlost dodaacutevaacuteniacute paliva do člaacutenku [molsec]

ε palivo =i n sdotFvpalivo

Kombinaciacute vztahů pro jednotliveacute uacutečinnosti dostaneme naacutesledujiacuteciacute vztah pro skutečnou uacutečinnost člaacutenku

ε skut =Δg

ΔhHHVsdotVEsdot i n sdotFvpalivo

Na obraacutezku 19 je porovnaacuteniacute uacutečinnostiacute jednotlivyacutech metod vyacuteroby elektrickeacute energie Z obraacutezku je jasně patrneacute že celkovaacute uacutečinnost palivovyacutech člaacutenku převyšuje ostatniacute způsoby vyacuteroby elektrickeacute energie

Obr 19 Uacutečinnost vyacuteroby elektrickeacute energie [8]

52

45Typy palivovyacutech člaacutenků

Jednotliveacute typy palivovyacutech člaacutenků se lišiacute předevšiacutem typem použiteacuteho elektrolytu Typ elektrolytu určuje provozniacute teplotu jež se pro různeacute typy palivovyacutech člaacutenků vyacuterazně lišiacute

451 Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech vyššiacutech než 600 degC (1100degF) Tyto vysokeacute teploty umožňujiacute samovolnyacute vnitřniacute reforming lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv jako je metan ndash na vodiacutek a uhliacutek za přiacutetomnosti vody Reakce probiacutehajiacuteciacute na anodě za podpory nikloveacuteho katalyzaacutetoru poskytuje dostatek tepla požadovaneacuteho pro proces parniacuteho reformingu Vnitřniacute reforming odstraňuje potřebu samostatneacuteho zařiacutezeniacute na zpracovaacuteniacute paliva a umožňuje palivoveacutemu člaacutenku zpracovaacutevat i jinaacute paliva než čistyacute vodiacutek Tyto vyacuteznamneacute vyacutehody vedou k naacuterůstu celkoveacute uacutečinnosti teacuteměř o 15 Během naacutesledujiacuteciacute elektrochemickeacute reakce je uvolňovaacutena chemickaacute energie kterou palivovyacute člaacutenek zpracovaacutevaacute Tato chemickaacute energie pochaacuteziacute z reakce mezi vodiacutekem a kysliacutekem při ktereacute vznikaacute voda Z reakce mezi oxidem uhelnatyacutem a kysliacutekem jejiacutemž produktem je oxid uhličityacute Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky produkujiacute takeacute vysokopotenciaacutelniacute odpadniacute teplo jež může byacutet použito pro uacutečely kogenerace Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky reagujiacute velmi snadno a bez potřeby drahyacutech katalyzaacutetorů z ušlechtilyacutech kovů Množstviacute energie uvolněneacute elektrochemickou reakciacute klesaacute s rostouciacute provozniacute teplotou člaacutenku Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky jsou naacutechylneacute na materiaacuteloveacute poruchy Maleacute množstviacute materiaacutelu je schopno po dlouho dobu při vysokyacutech teplotaacutech pracovat bez degradace Vysokoteplotniacute provoz neniacute vhodnyacute pro rozsaacutehleacute vyacuteroby nebo pro aplikace kde je požadovaacuten rychlyacute start zařiacutezeniacute Současneacute aplikace teacuteto metody se zaměřujiacute na stacionaacuterniacute elektraacuterenskeacute zdroje Nejvyacuteznamnějšiacutemi vysokoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů tzv MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů využiacutevajiacute elektrolytu kteryacute je schopen přenaacutešet uhličitanoveacute ionty CO3 2- od katody k anodě Elektrolyt se sklaacutedaacute z roztaveneacute směsi uhličitanu lithia a uhličitanu draselneacuteho Směs je udržovaacutena pomociacute kapilaacuterniacutech sil v keramickeacute podpůrneacute mřiacutežce z hlinitanu litneacuteho Při provozniacute teplotě se struktura elektrolytu změniacute na stav podobnyacute pastě kteraacute umožňuje uacuteniky plynů na okrajiacutech člaacutenku Tyto palivoveacute člaacutenky pracujiacute s teplotami okolo 650 degC a tlaky v rozmeziacute relativniacutech hodnot 1 až 10 barů Každyacute člaacutenek je schopen produkovat stejnosměrneacute napětiacute mezi 07 a 1 V Princip fungovaacuteniacute tohoto člaacutenku je na obraacutezku 20

53

Obr 20 Scheacutema člaacutenku MCFC [8]

Palivoveacute člaacutenky na baacutezi tekutyacutech uhličitanů jsou schopneacute provozu při zaacutesobovaacuteniacute jak čistyacutem vodiacutekem tak lehkyacutemi uhlovodiacutekovyacutemi palivy Palivo napřiacuteklad metan je dopraveno na anodu za přiacutetomnosti vody přijme teplo a podstoupiacute reakci parniacuteho reformingu

CH 4 + H2Orarr 3H2 +CO Pokud bude jako palivo použit jinyacute lehkyacute uhlovodiacutek potom se může počet molekul vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho změnit ale produkty reakce jsou v podstatě vždy stejneacute Reakce na anodě molekuly vodiacuteku s uhličitanovyacutem iontem probiacutehaacute bez ohledu na druh použiteacuteho paliva a vypadaacute naacutesledovně

H2 +CO32minus rarr H2O +CO2 + 2e

minus

Reakce probiacutehajiacuteciacute na katodě a to kysliacuteku s oxidem uhličityacutem probiacutehaacute opět bez ohledu na druhu paliva

O2 + 2CO2 + 4eminus rarr 2CO3

2minus

Iont CO3 2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě Dochaacuteziacute k reakci iontu CO3 2- jak s vodiacutekem tak oxidem uhelnatyacutem Elektrony prochaacutezejiacute přes elektrickou zaacutetěž nachaacutezejiacuteciacute se ve vnějšiacute čaacutesti elektrickeacuteho obvodu od anody ke katodě Celkovaacute reakce na člaacutenku je tedy

2H2 +O2 rarr 2H2O Vyacuteslednaacute reakce oxidu uhelnateacuteho ke ktereacute dochaacuteziacute pouze v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Produktem palivoveacuteho člaacutenku bez ohledu na palivo je voda V přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva je kromě vody produktem takeacute oxid uhličityacute Pro zajištěniacute plynulosti zajištěniacute kvality elektrochemickeacute reakce musiacute byacutet oba produkty plynule odvaacuteděny z katody člaacutenku

54

Mezi hlavniacute vyacutehody palivovyacutech člaacutenků s tekutyacutemi uhličitany patřiacute podpora samovolneacuteho vnitřniacuteho reformingu lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv vyacuteroba vysoko-potenciaacutelniacuteho tepla Samotnaacute reakce nepotřebuje katalyzaacutetory z ušlechtilyacutech kovů maacute velmi dobrou kinetiku a uacutečinnost Palivoveacute člaacutenky ovšem takeacute traacutepiacute mnoho nevyacutehod a provozniacutech omezeniacute Je potřeba vyvinou materiaacutely odolneacute vůči korozi při vysokyacutech teplotaacutech s malyacutem součinitelem objemoveacute roztažnosti ktereacute jsou vysoce mechanicky a tepelně odolneacute a jejichž vyacuteroba je technicky možnaacute Koroze je největšiacute probleacutem těchto člaacutenků Koroze způsobuje oxidaci niklu katody a jeho rozpuštěniacute v elektrolytu to může způsobit zhoršeniacute stavu separaacutetoru vysušeniacute či zaplaveniacute elektrod Korozniacute vlivy způsobujiacute pokles vyacutekonu a zkraacuteceniacute životnosti člaacutenku Rozměrovaacute nestaacutelost způsobenaacute objemovou roztažnostiacute může způsobit zničeniacute elektrod ktereacute změniacute povrch aktivniacute oblasti to může miacutet za naacutesledek ztraacutetu kontaktu a vysokyacute odpor mezi jednotlivyacutemi čaacutestmi člaacutenku Tekutyacute elektrolyt přinaacutešiacute probleacutemy s manipulaciacute člaacutenku Největšiacute nevyacutehodou je dlouhaacute doba potřebnaacute k rozběhu tento fakt tyto člaacutenky odsoudil do pozice použiacutevaacuteniacute pouze ve stacionaacuterniacutech aplikaciacutech

4511 Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů SOFC

Palivoveacute člaacutenky použiacutevajiacute elektrolyt schopnyacute veacutest kysliacutekoveacute ionty O-2 od katody k anodě je to opačnyacute směr než u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků jež vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je tvořen z pevnyacutech oxidů ktereacute majiacute podobu keramiky obvykle zirkonia (stabilizovaneacuteho dalšiacutemi oxidy kovů vzaacutecnyacutech zemin jako je ytrium) Člaacutenky jsou sestavovaacuteny postupnyacutem uklaacutedaacuteniacutem různyacutech vrstev materiaacutelu Běžnaacute uspořaacutedaacuteniacute použiacutevajiacute trubicoveacute či plocheacute tvary jednotlivyacutech člaacutenků Tvary ovlivňujiacute povrch člaacutenku a takeacute těsněniacute člaacutenku a to nejen v důsledku průsaku mezi kanaacutelky paliva a oxidantu ale takeacute vlivem elektrickeacuteho zapojeniacute jednotlivyacutech člaacutenků do bloku Pro materiaacutel elektrod mohou byacutet použity kovy typu niklu a kobaltu Palivoveacute člaacutenky SOFC pracujiacute s teplotami okolo 1000degC a relativniacutemi tlaky kolem 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 08 až 10 V

Obr 21 Scheacutema SOFC [18]

55

Palivoveacute člaacutenky mohou stejně jako MCFC člaacutenky pracovat jak s čistyacutem vodiacutekem tak uhlovodiacutekovyacutemi palivy Vstupniacute palivo se potom sklaacutedaacute jak z vodiacuteku tak z oxidu uhelnateacuteho Reakce na anodě jsou naacutesledujiacuteciacute

H2 +Ominus2 rarr H2O + 2eminus

CO +O2minus rarrCO2 + 2eminus

Reakce na katodě 1 2O2 + 2e

minus rarrO2minus

Iont O2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě vlivem chemickeacute přitažlivosti vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho Uvolněneacute elektrony prochaacutezejiacute vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě V tomto přiacutepadě se ionty pohybujiacute od katody k anodě což je opačnyacute pohyb než probiacutehaacute u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků Produkty reakciacute se tedy hromadiacute spiacuteše na anodě než na katodě Po spojeniacute reakciacute na anodě a katodě můžeme psaacutet vyacutesledneacute reakce člaacutenku

H2 +1 2O2 rarr H2OCO +1 2O2 rarrCO2

Palivoveacute člaacutenky SOFC tedy produkujiacute vodu bez ohledu na použiteacute palivo oxid uhličityacute v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet oba druhy reagentů plynule odvaacuteděny z katody Mezi hlavniacute vyacutehody těchto člaacutenků patřiacute opět umožněniacute samovolneacuteho reformingu uhlovodiacutekovyacutech paliv jelikož ionty kysliacuteku prochaacutezejiacute přes elektrolyt leacutepe než ionty vodiacuteku mohou byacutet tyto člaacutenky použity k oxidaci plynneacuteho paliva Dokaacutežiacute pracovat stejně dobře jak se suchyacutemi tak i vlhkyacutemi palivy Majiacute stejně jako MCFC velkou kinetiku reakce a vysokou uacutečinnost V porovnanaacute s MCFC člaacutenky mohou pracovat s vyššiacute proudovou hustotou a pevnyacute elektrolyt umožňuje snadnějšiacute manipulaci a možnost vyacuteroby rozličnyacutech tvarů a uspořaacutedaacuteniacute Nepotřebujiacute katalyzaacutetor z ušlechtilyacutech kovů Hlavniacute nevyacutehody jsou opět spojeny s vyacutevojem vhodnyacutech materiaacutelů Je zde nutnost vyacutevoje vhodnyacutech materiaacutelů ktereacute majiacute požadovanou vodivost jak elektrickou tak tepelnou a ktereacute zachovaacutevajiacute pevneacute skupenstviacute i při vysokyacutech teplotaacutech jsou chemicky slučitelneacute (kompatibilniacute) s ostatniacutemi čaacutestmi člaacutenku jsou rozměrově staacuteleacute majiacute vysokou mechanickou odolnost a jejichž vyacuteroba je dostatečně technicky zvlaacutednuta Mnoho materiaacutelů je možno použiacutet pro vysokeacute teploty aniž by změnily svoje skupenstviacute na jineacute než pevneacute Vybraneacute materiaacutely musiacute byacutet dostatečně husteacute aby zabraacutenily promiacutechaacutevaacuteniacute paliva s oxidačniacutemi plyny a musiacute miacutet dostatečnou podobnost charakteristik tepelnyacutech roztažnostiacute aby nedošlo k jejich štěpeniacute na vrstvy a k jejich praskaacuteniacute během tepelneacuteho cyklu SOFC palivoveacute člaacutenky jsou citliveacute na přiacutetomnost siacutery v palivu kteraacute nesmiacute překročit hodnotu 500 ppm Celkově je ovšem zatiacutem technologie SOFC nedostatečně vyspělaacute

56

452Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute obvykle s teplotami nižšiacutemi než 250 degC Tyto niacutezkeacute teploty neumožňujiacute vnitřniacute reforming paliva v důsledku čehož vyžadujiacute niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky vnějšiacute zdroj vodiacuteku Na druhou stranu vykazujiacute rychlyacute rozběh zařiacutezeniacute a trpiacute menšiacute poruchovostiacute konstrukčniacutech materiaacutelů Jsou takeacute mnohem vhodnějšiacute pro aplikace v dopravě Nejvyacuteznamnějšiacutemi niacutezkoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC alkalickeacute palivoveacute člaacutenky AFC palivoveacute člaacutenky s protonovou membraacutenou PEM FC a palivoveacute člaacutenky s přiacutemyacutem zpracovaacuteniacutem methanolu DMFC

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute s elektrolytem jenž je schopnyacute veacutest hydroxidoveacute ionty od katody k anodě I tento typ se lišiacute od většiny niacutezkoteplotniacutech člaacutenků ktereacute vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je složen z roztaveneacute alkalickeacute směsi hydroxidu draselneacuteho Elektrolyt může byacutet jak pohyblivyacute tak i pevnyacute Palivoveacute člaacutenky s nepohyblivyacutemi elektrolytem použiacutevajiacute tuhyacute elektrolyt jež je udržovaacuten pohromadě pomociacute kapilaacuterniacutech sil uvnitř poreacutezniacute podpůrneacute krystalickeacute mřiacutežky kteraacute je tvořena azbestem Hmota samotnaacute zajišťuje těsněniacute proti uacuteniku plynů na okraji člaacutenku Produkovanaacute voda se odpařuje do proudu zdrojoveacuteho vodiacutekoveacuteho plynu na straně anody kde současně dochaacuteziacute k jejiacute kondenzaci Odpadniacute teplo je odvaacuteděno přes obiacutehajiacuteciacute chladivo Alkalickeacute člaacutenky pracujiacute v rozmeziacute teplot 65 až 220degC a při relativniacutem tlaku okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vytvaacuteřet stejnosměrneacute napětiacute mezi 11 až 12 V Zjednodušeneacute scheacutema je na obraacutezku 22

Obr 22 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [18]

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky musiacute pracovat pouze s čistyacutem vodiacutekem bez přiacuteměsi oxidů uhliacuteku Na anodě se odehraacutevajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 + 2K+ + 2OH minus rarr 2K + 2H2O

2Krarr 2K + + 2eminusReakce na katodě jsou tyto

57

1 2O2 + H2Orarr 2OH

2OH + 2eminus rarr 2OH minus

Hydroxidoveacute ionty OH- prochaacutezejiacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem chemickeacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny obiacutehat vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě Sloučeniacutem anodovyacutech a katodovyacutech reakciacute můžeme napsat celkoveacute reakce pro alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

H2 + 2OHminus rarr 2H2 + 2e

minus

1 2O2 + H2O + 2eminus rarr 2OH minus

Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek produkuje vodu jež se odpařuje do proudu vstupujiacuteciacuteho vodiacuteku (v přiacutepadě systeacutemů s nepohyblivyacutem elektrolytem) či je odvaacuteděna z palivoveacuteho člaacutenku s elektrolytem (u systeacutemů s pohyblivyacutem elektrolytem) Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet tato voda z člaacutenku odvaacuteděna plynule Mezi vyacutehody AFC člaacutenků patřiacute niacutezkaacute provozniacute teplota rychleacute startovaciacute časy (při teplotě rovneacute teplotě okoliacute jsou schopny dodat 50 jmenoviteacuteho vyacutekonu) Člaacutenek je vysoce uacutečinnyacute a spotřebovaacutevaacute minimaacutelniacute množstviacute platinoveacuteho katalyzaacutetoru AFC se vyznačuje malou hmotnostiacute a objemem minimaacutelniacute koroziacute a relativně jednoduchyacutem provozem Mezi nevyacutehody patřiacute potřeba čisteacuteho vodiacuteku jako paliva relativně kraacutetkaacute životnost a potřeba složiteacuteho systeacutemu vodniacuteho hospodaacuteřstviacute Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem tvořenyacutem kapalnou kyselinou fosforečnou je schopen veacutest vodiacutekoveacute ionty (protony) H+ od anody směrem ke katodě Kyselina fosforečnaacute se nachaacuteziacute uvnitř krystalickeacute mřiacutežky tvořeneacute karbidem křemiacuteku (některeacute palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyselin použiacutevajiacute jako elektrolyt kyselinu siacuterovou) PAFC člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech od 150 do 205degC a s relativniacutem tlakem okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 11 V U PAFC člaacutenků reaguje vodiacutek s kysliacutekem Reakci na anodě můžeme popsat naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

Reakce na katodě maacute potom tento tvar1 2O2 + 2e

minus + 2H + rarr H2O Proton vodiacuteku prochaacuteziacute elektrolytem od anody směrem ke katodě na zaacutekladě přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny prochaacutezet vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem v opačneacutem směru Sloučeniacutem anodoveacute a katodoveacute reakce ziacuteskaacuteme obecnou reakci pro člaacutenek kterou můžeme popsat2H2 +O2 rarr 2H2O PAFC člaacutenky produkujiacute voda kteraacute se hromadiacute na katodě Abychom zajistili dostatečnou kvalitu reakce musiacute byacutet produktovaacute voda postupně ze člaacutenku odvaacuteděnaPAFC člaacutenky jsou schopny sneacutest vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho v palivu (až 30) a proto PAFC nepožadujiacute čištěniacute vzduchu jako okysličovadla a reformaacutetoru jako paliva Pracujiacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech i tak jsou tyto teploty o něco vyššiacute než u ostatniacutech niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenciacutech proto produkujiacute odpadniacute teplo o vyššiacutem potenciaacutelu ktereacute může byacutet využito v kogeneračniacutech aplikaciacutech

58

PAFC člaacutenky jsou naacutechylneacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu kteryacute nesmiacute přesaacutehnout 2 Daacutele jsou citliveacute na obsah siacutery v palivu maximaacutelniacute obsah siacutery by neměl překročit 50 ppm Tiacutem že se použiacutevaacute korozivniacute tekutyacute elektrolyt vznikajiacute probleacutemy s koroziacute konstrukčniacutech materiaacutelů PAFC jsou velkeacute a těžkeacute a nejsou schopny samostatneacuteho reformingu uhliacutekovyacutech paliv Je potřeba jednotku před provozem zahřaacutet a musiacute byacutet trvale udržovaacuteny na provozniacute teplotě Noveacute formy palivovyacutech člaacutenků s elektrolytem na baacutezi kyselin využiacutevajiacute pevnyacutech kyselinovyacutech elektrolytů Tyto člaacutenky jsou vyrobeny ze sloučenin typu CsHSO4 pracujiacute s teplotami až do 250 degC a s napětiacutem napraacutezdno (otevřeneacuteho obvodu) 111 V DC Daacutele nabiacutezejiacute vyacutehodu provozu bez vlhkosti při zmiacuterněniacute citlivosti na oxid uhelnatyacute a možnosti samostatneacuteho reformingu metanolu Trpiacute však degradaciacute vlivem obsahu siacutery velikou houževnatostiacute (tvaacuternostiacute) při teplotaacutech nad 125 degC a rozpustnostiacute ve vodě Vyacuterobniacute techniky pro praktickeacute využitiacute nebyly ještě vyvinuty

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami PEM FC

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (nebo teacutež člaacutenky s pevnyacutem polymerem) použiacutevajiacute elektrolyt jenž je schopnyacute veacutest protony H+ od anody ke katodě Elektrolyt je vytvořen z pevneacuteho polymerniacuteho filmu kteryacute se sklaacutedaacute z okyseleneacuteho teflonu Fyzicky je každyacute palivovyacute člaacutenek vytvořen z membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA - Membrane Electrode Assembly) jež se sklaacutedaacute z anody katody elektrolytu a katalyzaacutetorů Všechny čaacutesti jsou umiacutestěny mezi dvěma deskami vyrobenyacutemi z grafitu a označovanyacutemi jako bipolaacuterniacute desky (Flow Field Plates desky s kanaacutelky pro rozvod plynů paliva a okysličovadla) Tyto desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo k jednotlivyacutem stranaacutem membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA) Chladivo se použiacutevaacute k regulaci reakčniacute teploty palivoveacuteho člaacutenku Pro snadnějšiacute regulaci jsou mezi každyacute palivovyacute člaacutenek umiacutestěny chladiacuteciacute desky Tyto chladiacuteciacute desky rozvaacutedějiacute chladivo uvnitř palivoveacuteho člaacutenku za uacutečelem absorpce či dodaacutevky požadovaneacuteho tepla Těsněniacute mezi grafitovyacutemi deskami zajišťuje aby se proud okysličovadla paliva a chladiva uvnitř palivoveacuteho člaacutenku nepromiacutechal Elektrickeacute desky (koncoveacute elektrody člaacutenku) jsou umiacutestěny na uacuteplnyacutech konciacutech do seacuterie řazenyacutech bipolaacuterniacutech desek (Flow Field Plates) Tyto desky se spojujiacute se svorkami ze kteryacutech je ziacuteskaacutevaacutena elektrickaacute energie palivoveacuteho člaacutenku (stacku) V přiacutepadě velkyacutech palivovyacutech člaacutenků musiacute byacutet jednotliveacute desky stlačeny a sešroubovaacuteny dohromady pomociacute tyčiacute či spojeny jinyacutem mechanickyacutem způsobem Elektrody zprostředkovaacutevajiacute přechod mezi deskami s rozvodnyacutemi kanaacutelky a elektrolytem Musiacute umožnit průnik vlhkyacutem plynům poskytnout reakčniacute povrch v miacutestě styku s elektrolytem musiacute byacutet vodiveacute pro volneacute elektrony jež proteacutekajiacute od anody ke katodě a musiacute byacutet zkonstruovaacuteny ze vzaacutejemně slučitelnyacutech materiaacutelů Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute papiacuter s uhliacutekovyacutemi vlaacutekny poněvadž je poreacutezniacute hydrofobniacute (nesmaacutečivyacute) vodivyacute a nekorodujiacuteciacute Materiaacutel elektrod je velmi tenkyacute v důsledku maximalizace (vystupňovaacuteniacute) množstviacute dopravovaneacuteho plynu a vody Katalyzaacutetor se přidaacutevaacute na povrch každeacute elektrody na stranu elektrolytu za uacutečelem naacuterůstu rychlosti průběhu chemickeacute reakce Katalyzaacutetor podporuje chemickou reakci aniž by byl během teacuteto reakce spotřebovaacutevaacuten Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute platina neboť vykazuje vysokou elektro-katalytickou činnost chemickou stabilitu a elektrickou vodivost Platina je velmi drahaacute takže jejiacute množstviacute

59

(znaacutemeacute jako katalyzaacutetoroveacute naacuteklady) ovlivňuje cenu palivoveacuteho člaacutenku Konstrukteacuteři palivovyacutech člaacutenků usilujiacute o minimalizaci množstviacute použiteacute platiny za současneacuteho zachovaacuteniacute vyacutekonu palivoveacuteho člaacutenku Elektrolyt tvořiacute tenkaacute membraacutena z plastoveacuteho filmu jejiacutež tloušťka je obvykle od 50 do 175 microm (mikronů) Tyto membraacuteny se sklaacutedajiacute z fluorem dotovanyacutech siřičitanovyacutech kyselin ktereacute stejně jako teflonoveacute fluoro-uhliacutekoveacute polymery majiacute řetězec končiacuteciacute zbytkem kyseliny siřičiteacute (-SO3-2) Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami použiacutevajiacute totiž kyselyacute elektrolyt stejně jako palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute Všechny kyseleacute pevneacute elektrolyty vyžadujiacute přiacutetomnost molekul vody pro vodivost vodiacutekovyacutech iontů (protonů) poněvadž vodiacutekoveacute ionty se pohybujiacute společně s molekulami vody v průběhu vyacuteměnneacute iontoveacute reakce Podiacutel vody k vodiacutekovyacutem iontům u efektivniacute vodivosti je obvykle okolo 31 Z tohoto důvodu musiacute byacutet plyny v kontaktu s membraacutenou nasyceneacute vodou pro lepšiacute funkci palivoveacuteho člaacutenku Na molekulaacuterniacute uacuterovni maacute polymer trubicovitou strukturu ve ktereacute jsou skupiny siřičitanovyacutech kyselin na vnitřniacutem povrchu trubic Tyto skupiny poskytujiacute hydrofilniacute (majiacute přiacutechylnost k vodě lehce smaacutečitelneacute) potrubiacute pro vedeniacute vody Vnějšiacute čaacutesti trubic jsou z hydrofobniacuteho fluorovaneacuteho materiaacutelu Trubkoviteacute struktury se scvrkaacutevajiacute a přeskupujiacute s poklesy obsahu vody Při stlačovaacuteniacute (zužovaacuteniacute) těchto trubek během dehydratace rapidně klesaacute vodivost což vede k naacuterůstu odporu kontaktu mezi membraacutenou a elektrodou To může veacutest až k prasklinaacutem a diacuteraacutem v membraacuteně Všechny elektrolyty musiacute vykazovat zaacutekladniacute vlastnosti jimiž jsou vodič protonů elektronovyacute izolant (nejsou schopny veacutest elektrony) a separaacutetor plynů Vyacuterobci se takeacute snažiacute produkovat membraacuteny ktereacute majiacute odpoviacutedajiacuteciacute mechanickou pevnost rozměrovou staacutelost (odolnost vůči vybouleniacute) vysokou iontovou vodivost niacutezkou atomovou hmotnost (vaacuteha polymeru vztaženaacute k množstviacute kyselyacutech zbytků) a jsou snadno zhotovitelneacute Do jisteacute miacutery je možneacute mechanickou a rozměrovou staacutelost polymeru zajistit jeho včleněniacutem do membraacutenoveacuteho uskupeniacute jež poskytne podpůrnou strukturu

Obr 23 PEM člaacutenek firmy Horizon zdroj [19]

Bipolaacuterniacute desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo na obou vnějšiacutech stranaacutech membraacutenoveacuteho uskupeniacute Každaacute z těchto desek obsahuje kanaacutelky serpentinoviteacuteho tvaru ktereacute maximalizujiacute kontakt plynu s membraacutenovyacutem uspořaacutedaacuteniacutem Specifickyacute tvar kanaacutelků pro plyn je kritickyacute pro homogenniacute vyacuterobu elektrickeacute energie staacutelyacute vyacutekon člaacutenku a spraacutevnou funkci vodniacuteho hospodaacuteřstviacute člaacutenku Tvary bipolaacuterniacutech desek jsou vyraacuteběny v zaacutevislosti na použitiacute palivovyacutech člaacutenků Každaacute deska musiacute byacutet elektricky

60

vodivaacute Proud vznikajiacuteciacute během elektrochemickeacute reakce může teacuteci z jednoho člaacutenku do druheacuteho až k postranniacutem deskaacutem ze kteryacutech je elektrickaacute energie odebiacuteraacutena do vnějšiacuteho elektrickeacuteho obvodu Desky se obvykle vyraacutebějiacute z grafitu (uhliacuteku) přičemž kanaacutelky jsou vyrobeny technologiiacute obraacuteběniacute nebo lisovaacuteniacute Grafit se upřednostňuje jako materiaacutel pro svou vynikajiacuteciacute vodivost a relativně niacutezkeacute naacuteklady Je potřeba miacutet na paměti zvlhčovaacuteniacute reakčniacutech plynů v palivovyacutech člaacutenciacutech Bez zvlhčeniacute se nedosaacutehne požadovanaacute iontovaacute vodivost a může dojiacutet ke zničeniacute palivoveacuteho člaacutenku Množstviacute vody kteryacute je schopen plyn pojmout je zaacutevisleacute na teplotě při zvlhčovaacuteniacute Ciacutelem zvlhčovaacuteniacute je nasytit reakčniacute plyny co největšiacutem množstviacutem vodniacutech par Plyny jsou zvlhčovaacuteny při provozniacute teplotě palivoveacuteho člaacutenku Při zvlhčovaacuteniacute za vyššiacutech teplot může čaacutest vodniacutech par v palivoveacutem člaacutenku kondenzovat Vnitřniacute (interniacute) zvlhčovače se sklaacutedajiacute z přiacutedavnyacutech seacuteriiacutech grafitovyacutech desek začleněnyacutech do palivoveacuteho člaacutenku Tiacutemto dochaacuteziacute k rozděleniacute bloku palivoveacuteho člaacutenku na aktivniacute čaacutest kteraacute obsahuje palivoveacute člaacutenky a neaktivniacute čaacutest jež obsahuje desky zvlhčovače Desky zvlhčovače jsou obdobneacute bipolaacuterniacutem deskaacutem a využiacutevajiacute se k rozvodu plynu a vody po hydrofilniacute membraacuteně Voda se přemiacutesťuje přes membraacutenu a sytiacute omyacutevajiacuteciacute plyn Membraacuteny tohoto typu jsou již komerčně dostupneacute Vnitřniacute zvlhčovače odebiacuterajiacute vodu přiacutemo z chladiacuteciacuteho okruhu (z proudu chladiacuteciacuteho meacutedia) a vyuacutesťujiacute v jednoduchyacute integrovanyacute systeacutem s dobře propojenyacutemi teplotniacutemi charakteristikami Takoveacute uspořaacutedaacuteniacute předem vylučuje využitiacute jineacuteho chladiacuteciacuteho meacutedia než čisteacute vody Čistaacute voda naviacutec zhoršuje probleacutemy při startu palivoveacuteho člaacutenku neboť při niacutezkyacutech teplotaacutech může dojiacutet k jejiacutemu zamrznutiacute Kromě toho vede zakomponovaacuteniacute zvlhčovače do palivoveacuteho člaacutenku k naacuterůstu rozměrů palivoveacuteho člaacutenku a komplikuje jeho opravy neboť obě čaacutesti musiacute byacutet opravovaacuteny současně Vnějšiacute zvlhčovače se nejčastěji navrhujiacute jako membraacutenoveacute či kontaktniacute Membraacutenoveacute jsou založeny na obdobneacutem principu jako vnitřniacute zvlhčovače avšak jsou umiacutestěny odděleně Kontaktniacute zvlhčovače využiacutevajiacute principu rozprašovaacuteniacute zvlhčovaciacute vody na horkyacute povrch či do komory s velkou povrchovou plochou kterou proteacutekaacute jeden z reagujiacuteciacutech plynů Voda se potom odpařuje přiacutemo do plynu a způsobuje jeho nasyceniacuteVnějšiacute zvlhčovače mohou odebiacuterat vodu z chladiacuteciacuteho okruhu nebo mohou byacutet vybaveny samostatnyacutem vodniacutem okruhem Vyacutehody a nevyacutehody pro přiacutepad odběru vody z okruhu chladiacuteciacuteho meacutedia jsou stejneacute jako u vnitřniacutech zvlhčovačů V přiacutepadě zvlhčovače se samostatnyacutem vodniacutem okruhem může byacutet jako chladivo použito meacutedium s vyššiacutemi niacutezkoteplotniacutemi charakteristikami než maacute voda čiacutemž se však stane vzaacutejemnaacute vazba mezi teplotou zvlhčovače a palivoveacuteho člaacutenku daleko komplikovanějšiacute Bez ohledu na zdroj vody vede využiacutevaacuteniacute vnějšiacuteho zvlhčovače k nutnosti použitiacute samostatnyacutech součaacutestiacute ktereacute jsou pravděpodobně rozměrnějšiacute a takeacute mohutnějšiacute zvlaacuteště v přiacutepadě kontaktniacuteho zvlhčovače PEM člaacutenky pracujiacute s teplotami 70 až 90 degC a relativniacutem tlakem 1 až 2 bary Každyacute člaacutenek je schopnyacute generovat napětiacute okolo 11 V

61

Obr 24 Scheacutema PEM člaacutenku [18] V palivovyacutech člaacutenciacutech typu PEM spolu reagujiacute vodiacutek a kysliacutek Reakce na anodě a anodě probiacutehajiacute naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

1 2O2 + 2eminus + 2H + rarr H2O

Proton H+ prochaacuteziacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem vzaacutejemneacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou využity k oběhu od anody ke katodě přes vnějšiacute elektrickyacute obvod Sloučeniacutem reakciacute na anodě a katodě ziacuteskameacute celkovou reakci pro PEM člaacutenek

H2 +1 2O2 rarr H2O PEM člaacutenky dobře snaacutešiacute vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho jak v palivu tak okysličovadlu proto mohou PEM člaacutenky pracovat se znečištěnyacutem vzduchem jako okysličovadlem a reformaacutetorem jako palivem Tyto člaacutenky pracujiacute s niacutezkyacutemi teplotami což zjednodušuje požadavky na použiteacute materiaacutely umožňuje rychlyacute start a zvyšuje bezpečnost Je použit pevnyacute suchyacute elektrolyt to eliminuje naacuteroky na manipulaci s tekutinami snižuje pohyb elektrolytu a probleacutemy spojeneacute s jeho doplňovaacuteniacutem Elektrolyt neniacute korozivniacute tiacutem samozřejmě klesajiacute probleacutemy s koroziacute materiaacutelů PEM člaacutenky majiacute vysokeacute člaacutenkoveacute napětiacute vysokou proudovou a energetickou hustotu Pracovniacute tlaky jsou relativně niacutezkeacute a člaacutenek je schopen reagovat na proměnnost tlaku bez většiacutech probleacutemů Tvarově jsou PEM člaacutenky jednoducheacute kompaktniacute a mechanicky odolneacute PEM člaacutenky jsou citliveacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu (maximum je 50 ppm) jsou schopneacute sneacutest pouze několik ppm sloučeniny siacutery PEM člaacutenky požadujiacute zvlhčovaacuteniacute reakčniacuteho plynu zvlhčovaacuteniacute je energeticky naacuteročneacute a způsobuje naacuterůst rozměru celeacuteho systeacutemu Použitiacute vody pro zvlhčovaacuteniacute paliva limituje provozniacute teplotu palivoveacuteho člaacutenku na hodnotu nižšiacute než je teplota bodu varu vody čiacutemž se redukuje potenciaacutel využitelnyacute v kogeneračniacutech aplikaciacutech PEM člaacutenky použiacutevajiacute draheacute platinoveacute katalyzaacutetory a draheacute membraacuteny se kteryacutemi se obtiacutežně pracuje

62

46 Systeacutem palivovyacutech člaacutenků

Blok palivoveacuteho člaacutenků je jednotka pro přeměnu energie v systeacutemu palivoveacuteho člaacutenku Zdroj se sklaacutedaacute z množstviacute subsysteacutemů pro řiacutezeniacute a regulaci provozu palivoveacuteho člaacutenku Pomocneacute systeacutemy jsou požadovaacuteny pro systeacutem chlazeniacute člaacutenku dopravu a zvlhčovaacuteniacute reaktantů přenos elektrickeacuteho vyacutekonu člaacutenku monitorovaacuteniacute a řiacutezeniacute provozu popřiacutepadě uskladněniacute paliva a okysličovadla Systeacutemy palivovyacutech člaacutenků majiacute vyššiacute tepelneacute uacutečinnosti zvlaacuteště ty s malyacutemi rozměry či středniacutem zatiacuteženiacutem Praacutevě uacutečinnostniacute charakteristika poskytuje hlavniacute impuls pro současnyacute vyacutevoj palivovyacutech člaacutenků Zdroje s palivovyacutemi člaacutenky jsou schopneacute provozu s reformovanyacutemi fosilniacutemi palivy jakyacutem je metanol či zemniacute plyn Zdokonalenaacute tepelnaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku snižuje objem potřebneacuteho paliva a tiacutem zajišťuje i sniacuteženiacute znečišťovaacuteniacute životniacuteho prostřediacute Konfigurace provozniacute charakteristiky a celkovaacute systeacutemovaacute uacutečinnost zdrojů s palivovyacutemi člaacutenky se určuje předevšiacutem vyacuteběrem vhodneacuteho paliva a okysličovadla Nejefektivnějšiacute konfigurace zdrojů je založena na čistyacutech reaktantech - vodiacuteku a kysliacuteku Avšak pro většinu aplikaciacute je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku a kysliacuteku nepraktickeacute a proto se hledajiacute různeacute alternativy Napřiacuteklad vzduch se obvykle u systeacutemů s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM využiacutevaacute jako okysličovadlo pokud je to možneacute Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je sniacutežena v porovnaacuteniacute s provozem s čistyacutem kysliacutekem a znevyacutehodněniacute je ještě umocněno potřebou stlačovaacuteniacute vzduchu Tato znevyacutehodněniacute jsou takeacute většiacute než kompenzace provedenaacute přemiacutestěniacutem uskladněniacute okysličovadla ven ze zdroje Pro určiteacute aplikace je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku nepraktickeacute v důsledku jeho niacutezkeacute uskladňovaciacute hustoty a nedostatečneacute infrastruktury Tekutaacute paliva jako je metanol nafta a petrolej mohou byacutet reformovaacuteny na plyny bohateacute na vodiacutek ktereacute jsou využity pro provoz palivoveacuteho člaacutenku Zemniacute plyn pokud je dostupnyacute může byacutet takeacute využit v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků Reforming však snižuje celkovou uacutečinnost systeacutemu a zapřiacutečiňuje i naacuterůst rozměrů zdroje

461 Systeacutem vodiacutek vzduch

Suchozemskeacute systeacutemy s palivovyacutemi člaacutenky použiacutevajiacute obvykle jako okysličovadlo stlačenyacute vzduch Jako palivo může byacutet použita jakyacutekoliv z vyacuteše zmiňovanyacutech laacutetek avšak čistyacute vodiacutek je nejjednoduššiacute a nejuacutečinnějšiacute pro tyto podmiacutenky Vodiacutek jako palivo maacute relativně niacutezkou objemovou a hmotnostniacute hustotou uskladněniacute energie ve srovnaacuteniacute s tekutyacutemi palivy jež jsou v současnosti využiacutevaacuteny Kromě toho neniacute zde vybudovaacutena dostatečnaacute infrastruktura pro vstup vodiacuteku na světovyacute trh s energiemi A upřiacutemně v současneacute době relativniacuteho dostatku tekutyacutech paliv potřeba tuto infrastrukturu neniacute přiacuteliš velikaacute Zjednodušeneacute scheacutema zdroje na baacutezi palivovyacutech člaacutenků typu PEM použiacutevajiacuteciacute vodiacutek a vzduch je na obraacutezku 25 Vodiacutek je dopravovaacuten ze zaacutesobniacuteků Vodiacutek je zvlhčen a dodaacutevaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Plynovyacute kompresor tlakuje vodiacutek kteryacute z člaacutenku odchaacuteziacute (poměrnyacute obsah vodiacuteku je přibližně 15) jako přebytek paliva a vraciacute ho zpět do vstupniacute čaacutesti okruhu dodaacutevky paliva Čistota vodiacuteku je jedniacutem z nejdůležitějšiacutech požadavků z toho důvodu musiacute byacutet systeacutem velmi dobře uzavřen V systeacutemu anody je instalovaacuten odvzdušňovaciacute ventil kteryacute sloužiacute k periodickeacutemu odvodu nečistot ktereacute se nachaacutezejiacute ve vodiacutekoveacutem zaacutesobniacuteku Okolniacute vzduch je filtrovaacuten stlačen zvlhčen a dodaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Kondenzaacutetor odvaacutediacute produktovou vodu z vyacutestupu vzduchu rekuperačniacute tepelnyacute

63

vyacuteměniacutek ohřiacutevaacute proud vstupniacuteho vzduchu Popsanyacute systeacutem pracuje obvykle s tlakem okolo 2 barů Uzavřenaacute smyčka chladiacuteciacuteho okruhu je zaměstnaacutevaacutena udržovaacuteniacutem provozniacute teploty člaacutenků okolo 80 degC Kondenzaacutetor produktoveacute vody a zvlhčovač reaktantů se začleňuje do chladiacuteciacuteho systeacutemu V systeacutemu chladiacuteciacute vody je daacutele instalovaacuten deionizačniacute filtr z důvodu udrženiacute hladiny čistoty vody Člaacutenek je dokonale izolovaacuten aby se předešlo průsakům vody ven z člaacutenku a kontaminaci membraacuteny prostřednictviacutem nechtěnyacutech iontů Na elektrickeacutem vyacutestupu palivoveacuteho člaacutenku je neregulovaneacute stejnosměrneacute napětiacute Testovaacuteniacute zaacutetěže by se mělo provaacutedět pravidelně aby byly zajištěny dobreacute elektrickeacute podmiacutenky pro předpoklaacutedanou zaacutetěž

Obr 25 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a vzduchem [8]

462Systeacutem vodiacutek kysliacutek

V aplikaciacutech kde neniacute dostupnyacute vzduch jako je vesmiacuter nebo podmořskeacute prostřediacute může byacutet použit čistyacute vodiacutek kysliacutek jako okysličovadlo Kysliacutek je uskladněn jako stlačenyacute plyn či kryogenniacute tekutina Kysliacutek zabiacuteraacute určityacute objem a hmotnost celkoveacuteho energetickeacuteho systeacutemu Palivoveacute člaacutenky potom vykazujiacute většiacute vyacutekon většiacute napětiacute člaacutenku a celkovou uacutečinnost Odstraněniacute zařiacutezeniacute ke stlačovaacuteniacute vzduchu dochaacuteziacute v systeacutemu k poklesu hlučnosti a parazitickyacutech ztraacutet Obraacutezek 26 znaacutezorňuje typickyacute zdroj s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s čistyacutem vodiacutekem a kysliacutekem Je to v podstatě stejnyacute systeacutem jako v přiacutepadě systeacutemu se vzduchem Toky obou reaktantů jsou cirkulovaacuteny skrz palivovyacute člaacutenek pomociacute kompresorů se opětovně natlakujiacute na provozniacute tlak V přiacutepadě dostupnosti vhodnyacutech dopravniacutech tlaků z uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků reaktantů mohou byacutet kompresory nahrazeny čerpadly čiacutemž dojde k eliminaci parazitniacutech ztraacutet spojenyacutech s cirkulaciacute plynu Systeacutemy těchto palivovyacutech člaacutenků jsou obvykle konstruovaacuteny pro provoz

64

v uzavřeneacutem prostřediacute a mohou byacutet provozovaacuteny jako samostatneacute uzavřeneacute systeacutemy V ideaacutelniacutem přiacutepadě je jedinyacutem hmotnyacutem produktem voda Nečistoty ve vstupniacutem vodiacuteku a kysliacuteku postupně zvyšujiacute svou koncentraci v systeacutemu proto je nezbytneacute pravidelneacute čištěniacute Inertniacute čaacutesti paliva jsou vstřebaacutevaacuteny a odvaacuteděny prostřednictviacutem produktoveacute vody palivoveacuteho člaacutenku Potřeba přiacutedavneacuteho čištěniacute je určena požadavkem čistoty u zařiacutezeniacute na uskladněniacute reaktantů životnostiacute zdroje a provozniacutemi podmiacutenkami systeacutemu

Obr 26 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a kysliacutekem [8]

65

5 Instalace ve světě

V současnosti se spojeniacute větrneacute energie a vyacuteroby vodiacuteku použiacutevaacute velmi maacutelo Tento systeacutem maacute ovšem podle mnoha zdrojů obrovskyacute růstovyacute potenciaacutel Nabiacuteziacute jednu z alternativ pro teacuteměř 16 miliardy lidiacute na světě kteřiacute nemajiacute přiacutestup k elektrickeacute energii Trhy pro ktereacute je tato technologie zajiacutemaveacute již dnes jsou izolovaneacute oblasti vyspělyacutech staacutetů Tyto trhy použiacutevajiacute jako hlavniacute zdroj elektrickeacute energie diesel agregaacutety jsou tudiacutež vysoce zaacutevisleacute na dodaacutevkaacutech ropy Vodniacute elektrolyacuteza je použitelnaacute ve spojeniacute s fotovoltaickou a větrnou energiiacute Existuje dobraacute shoda mezi polarizačniacutemi křivkami obnovitelnyacutech zdrojů a elektrolyzeacuterů a mohou byacutet spojeny bez elektronickeacuteho sledovaacuteniacute vyacutekonovyacutech charakteristik při relativně vysokeacute uacutečinnosti Projekty využiacutevajiacuteciacute spojeniacute větrneacute energie již existujiacute Jeden z pilotniacutech projektů je umiacutestěn na ostrově Unst v severniacute čaacutesti Velkeacute Britaacutenie Ciacutelem tohoto projektu je demonstrovat jak větrnaacute energie spojenaacute s využiacutevaacuteniacutem vodiacuteku je schopna pokryacutet energetickeacute potřeby pěti obchodniacutech jednotek v odlehleacute oblasti Větrnaacute energie na Shetlandech nabiacuteziacute velmi dobreacute možnosti pro jejiacute využitiacute nevyacutehodou větrnyacutech podmiacutenek na tomto ostrově je jejich nepředviacutedatelnaacute povaha Pro zajištěniacute stabilniacuteho a spolehliveacuteho dodaacutevaacuteniacute energie je potřeba zajistit dobreacute řiacutezeniacute toku teacuteto energie a skladovaacuteniacute Elektrickaacute siacuteť je na ostrově ve velmi špatneacutem stavu a neumožňuje připojeniacute dalšiacuteho pevneacute připojeniacute z obnovitelnyacutech zdrojů Každyacute novyacute systeacutem musiacute byacutet připojen nezaacutevisle na siacuteti nebo miacutet zajištěn dostatečnou kapacitu pro uskladněniacute energie z těchto zdrojů Na ostrově jsou umiacutestěny 2 větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 15 kW V čase niacutezkeacuteho odběru obchodniacutech jednotek nebo naopak při vysokeacute produkci je přebytek energie použit v elektrolyzeacuteru kteryacute potřebuje přibližně 2-7 kW denniacute produkce vodiacuteku dosahuje přibližně 2 kg vodiacuteku Vodiacutek je uložen ve vysokotlakyacutech naacutedobaacutech a daacutele použiacutevaacuten jako alternativa fosilniacutech paliv Systeacutem je vybaven zaacuteložniacutem zdrojem obsahuje 5 kW palivoveacute člaacutenky a měnič kteryacute převaacutediacute stejnosměrnyacute proud z elektrolyzeacuteru na proud střiacutedavyacute

Obr 27 Scheacutema systeacutemu instalovaneacuteho v Unstu

66

Prvniacutem miacutestem kde došlo v roce 2004 k instalaci vyacuteznamnějšiacuteho autonomniacuteho systeacutemu využiacutevajiacuteciacuteho větrneacute elektraacuterny pro produkci vodiacuteku a jeho naacutesledneacutemu použitiacute pro vyacuterobu elektrickeacute energie je norskyacute ostrov Utsira V pilotniacutem projektu bylo vybraacuteno 10 domaacutecnostiacute do kteryacutech se dodaacutevaacute elektrickaacute energie vyacutehradně z větrneacute energie Ve větrneacutem počasiacute větrneacute elektraacuterny dodaacutevajiacute elektřinu přiacutemo Když produkce elektřiny přesaacutehne aktuaacutelniacute požadavky domaacutecnostiacute je přebytečnaacute elektřina použita pro produkci vodiacuteku v elektrolyzeacuterech Vodiacutek je daacutele stlačen a uložen do tlakovyacutech naacutedob V přiacutepadě že je viacutetr přiacuteliš slabyacute nebo naopak silnyacute a větrneacute elektraacuterna neniacute schopna dodaacutevat elektrickou energii palivoveacute člaacutenky začnou spotřebovaacutevat uskladněnyacute vodiacutek a dodaacutevat elektrickou energii do domaacutecnostiacute Tento systeacutem je schopen dodaacutevat elektrickou energii domaacutecnostem až po dobu 3 dnů v přiacutepadě nedostupnosti větrneacute energie Utsira je velmi větrnyacutem ostrovem kteryacute se jevil jako ideaacutelniacute miacutesto pro pilotniacute projekt tohoto typu Na ostrově byly instalovaacuteny dvě turbiacuteny Enercon E40 každaacute s kapacitou 600 kW Jedna z turbiacuten produkuje elektřinu přiacutemo do siacutetě zatiacutemco druhaacute je připojena do samostatneacuteho systeacutemu a vyacutekon je sniacutežen na 150 kW aby leacutepe odpoviacutedala poptaacutevce Pro stabilizaci nestabilniacute obnovitelneacute energie se použiacutevaacute setrvačniacutek s kapacitou 5 kWh a 100 kVA hlavniacute synchronniacute motor ktereacute vyrovnaacutevajiacute a ovlaacutedajiacute napětiacute a frekvenci Přebytečnaacute energie je uklaacutedaacutena pomociacute elektrolyzeacuteru firmy Hydrogen Technologies s maximaacutelniacutem zatiacuteženiacutem 48 kW 5 kW kompresoru Hofer a tlakovyacutech naacutedob o objemu 2400 Nm3 při tlaku 200 bar Při nedostatku energie z větru se tato potřebnaacute energie dodaacutevaacute pomociacute 5 IRD palivovyacutech člaacutenků o celkoveacutem vyacutekonu 55 kW

Obr 28 Scheacutema projektu v Utsiře

Projekt byl v provozu nepřetržitě po dobu 4 let viacutece než 50 času byly pro dodaacutevaacuteniacute energie použiacutevaacuteny palivoveacute člaacutenky Kvalita dodaacutevky elektrickeacute energie byla dobraacute nebyly hlaacutešeny žaacutedneacute stiacutežnosti I přes uacutespěšnou demonstraci kvality projektu byly odhaleny vyacutezvy ktereacute je potřeba překonat pro zajištěniacute uacutespěchu teacuteto technologie 20 Utilizace větrneacute energie odhalila potřebu pro vyacutevoj uacutečinnějšiacutech elektrolyzeacuterů stejně tak jako zlepšeniacute uacutečinnosti konverze vodiacuteku na elektřinu Palivoveacute člaacutenky v průběhu provozu trpěly určityacutemi probleacutemy jako byl uacutenik chladiciacute kapaliny ze člaacutenku Palivoveacute člaacutenky trpěly takeacute rapidniacute degradaciacute vydržely sotva 100 hodin provozu Tyto probleacutemy spojeneacute s niacutezkou uacutečinnostiacute konverze vodiacuteku zvyacutešili

67

pravděpodobnost že vodiacutek během klidneacuteho větru může dojiacutet Cena a spolehlivost palivovyacutech člaacutenků se musiacute vylepšit aby byl projekt tohoto typu komerčně uacutespěšnyacute Bylo takeacute doporučeno aby budouciacute projekty zahrnovaly viacutece obnovitelnyacutech zdrojů energie Uacutespěch projektu na ostrově Utsira demonstruje uskutečnitelnost kombinace obnovitelneacuteho zdroje energie a vodiacuteku v odlehlyacutech lokalitaacutech a noveacute možnosti použitiacute elektrolyzeacuterů v budouciacutech energetickyacutech systeacutemech Ekonomicky bude tento projekt daacutevat smysl pouze při dalšiacutem vyacutevoji součaacutestiacute systeacutemu je předpoklad že by tato podmiacutenka mohla byacutet splněna za 5 až 10 let

Obr 29 Projekt kombinujiacuteciacute větrnou energii a vodiacutek na ostrově Utsira [20]

68

6Přiacutepadovaacute studie

61Vyacuteběr lokace

Souhrnnaacute dlouhodobaacute data o větru v jedneacute lokaci je velmi složiteacute ziacuteskat Lokace pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny se vybiacuteraacute podle podrobneacute lokaacutelniacute větrneacute mapy jejiacutemž autorem je v Českeacute republice ČHMUacute Naacutesleduje faacuteze měřeniacute rychlosti větru přiacutemo v miacutestě potenciaacutelniacuteho umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Pravidelneacute měřeniacute směru a siacutely větru provaacutediacute ČHMUacute na svyacutech meteorologickyacutech staniciacutech Profesionaacutelniacutech stanic existuje 38 6 stanic spravuje armaacuteda a dalšiacutech 179 je stanic je dobrovolnickyacutech Vzhledem k uacuteplnosti dat jsem se v praacuteci rozhodl použiacutet data z meteorologickeacute stanice na letišti v Mošnově Stanice je primaacuterně určena pro informovaacuteniacute leteckeacuteho personaacutelu o počasiacute v bliacutezkosti letiště Diacuteky vstřiacutecnosti miacutestniacutech meteorologů jsem ziacuteskal data o rychlosti větru v roce 2006 Stanice je umiacutestěna přiacutemo na letištniacute ploše ve vyacutešce 3 m Samotneacute letiště Mošnov ležiacute v severovyacutechodniacute čaacutesti Českeacute republiky 20 km od města Ostravy Data

jsou umiacutestěna v souboru programu Excel jako přiacuteloha 1 Měřeniacute je provaacuteděno nepřetržitě a je vypočiacutetaacutevaacuten 15 sekundovyacute průměr kteryacute sloužiacute jako informace pro piloty Statisticky se zaznamenaacutevajiacute 3 měřeniacute denně Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny jsou potřebneacute dvě důležiteacute informace a to průměrnaacute rychlost větru vstr a standardniacute odchylka σw Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov vstr= 3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1

62 Větrnaacute turbiacutena

Pro tuto praacuteci bylo vybraacuteno jako vhodneacute řešeniacute použitiacute dvou stejnyacutech relativně menšiacutech větrnyacutech turbiacuten firmy Enercon Jmenovityacute vyacutekon turbiacuteny je 330 kW Pro uchyceniacute trojlisteacuteho rotoru o průměru 33 m je použit 50 m ocelovyacute stožaacuter Elektraacuterna je bezpřevodovkovaacute s proměnlivyacutemi otaacutečkami rotoru ktereacute se mohou pohybovat v rozmeziacute 15-45 otmin Hlavniacute ložiska jsou jednořadaacute kuželiacutekovaacute Enercon dodaacutevaacute vlastniacute generaacutetor Jednaacute se o prstencovyacute generaacutetor kteryacute je přiacutemo pohaněnyacutesynchronniacute s variabilniacute frekvenciacute Elektraacuterna je daacutele vybavena brzdou rotoru aretaciacute rotoru a třemi soběstačnyacutemi systeacutemy nastavovaacuteniacute listů s nouzovyacutem zdrojem Startovaciacute rychlost je 25 ms-1 jmenovitaacute rychlost 12 ms-1 a odpojovaciacute rychlost je 12 ms-1 Tabulka 7 uvaacutediacute hodnoty jmenoviteacuteho vyacutekonu elektraacuterny při danyacutech rychlostech větru

Rychlost větru [ms]

Vyacutekon [kW]

Kapacitniacute faktor [-]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 5 137 30 55 92 138 196 250 293 320 335 335 335 335

0 035 040 045 047 050 05 05 047 041 035 028 023 018 015

Tab 7 Vyacutekonoveacute charakteristiky turbiacuteny E33 [21]

69

Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny se potom určiacute pomociacute vyacutepočtu v programu Mathcad tento vyacutepočet je součaacutestiacute přiacutelohy 2 Pro určeniacute vyacutekonoveacute křivky použijeme tabulku 7 zobrazujiacuteciacute rychlost větru a jemu odpoviacutedajiacuteciacute vyacutekon Data proložiacuteme křivkou spline kteraacute je aproximaciacute tabulkovyacutech hodnot Použijeme funkci cspline kteraacute je v programu Mathcad definovaacutena Vyacuteslednaacute křivka je potom zobrazena na obraacutezku 30 Křivka je určena pro teplotu t=15degC a nadmořskou vyacutešku h=0 m

Obr 30 Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny E33

63 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov

Celyacute vyacutepočet je umiacutestěn v přiacuteloze 2 Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr= 3596 ms-1 standardniacute odchylky σw=254 ms-1 a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 1459

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 3969

Spektrum rozloženiacute hustoty rychlostiacute větru v daneacute lokalitě se popisuje pomociacute Weibullovy pravděpodobnostniacute funkce grafickeacute zobrazeniacute je na obraacutezku 31

70

f x( ) = kcsdot xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdotexp minus xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

Obr 31 Weibullova funkce pro letiště Mošnov

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě mošnovskeacuteho letiště je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 3 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 015 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 682m sdot sminus1

Rozdiacutel v průměrnyacutech rychlostech je převaacutežně způsoben působeniacutem mezniacute vrstvy u povrchu Země Hustota vzduchu v miacutestě instalace značně ovlivňuje vyacuteslednyacute vyacutekon větrneacute elektraacuterny proto je potřeba ji v celkoveacutem vyacutepočtu zohlednit Hustota vzduchu ρ [kgm3] je zaacutevislaacute předevšiacutem na teplotě t [degC] a nadmořskeacute vyacutešce Z [m] dle vztahu

ρ = 33505t + 2731

sdotexp minus981sdotZ287 sdot(t + 2731)

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

71

Dalšiacute veličinou kterou je před samotnyacutem vyacutepočtem určit je kapacitniacute faktor CFA [-] Kapacitniacute faktor je jinyacutem naacutezvem součinitel využitiacute a určuje zastoupeniacute času při ktereacutem jsou schopny větrneacute elektraacuterny byacuteti v provozu Tento součinitel zaacuteviacutesiacute na typu větrneacute elektraacuterny daacutele pak na maximaacutelniacute rychlosti větru Uf [ms] minimaacutelniacute rychlosti větru Uc [ms] naacutevrhoveacute rychlosti větru Ur [ms] a Weibullovyacutech faktorech c a k dle naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 029

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Mošnově použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 257 m průměrnaacute teplota t= 65 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=682 ms Pnom se potom rovnaacute 8447 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obraacutezku 32

Obr 32 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro mošnovskou lokalitu Pav= 24 445 W Ročniacute průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 24445 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na letišti v Mošnově je potom Pwf=44691 kW Tato hodnota je na vyacutekon 330kW elektraacuterny velmi niacutezkaacute instalace tedy postraacutedaacute ekonomickyacute smysl a je potřeba určit jineacute umiacutestěniacute instalace Dalšiacutem faktorem znemožňujiacuteciacutem instalaci větrnyacutech elektraacuteren je složitost stavebniacuteho řiacutezeniacute Vzhledem k ochraně letištniacuteho provozu by stavba musela splňovat velmi složitaacute kriteacuteria a byacutet umiacutestěna v dostatečneacute vzdaacutelenosti od letištniacute draacutehy kde už nemusejiacute rychlosti větru odpoviacutedat rychlostem měřenyacutem meteorologickou staniciacute přiacutemo

72

na letišti

64 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce

Obec Noveacute Dvorce na hranici Olomouckeacuteho a Moravskoslezskeacuteho kraje byla vybraacutena jako alternativniacute lokalita splňujiacuteciacute zaacutekladniacute požadavek o průměrneacute ročniacute rychlosti větru V lokalitě Červeneacuteho kopce kteryacute je v bliacutezkosti obce Noveacute Dvorce je umiacutestěno již v současneacute době 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele větrneacuteho parku a to firmy Větrnaacute energie HL sro je v lokalitě Červeneacuteho kopce průměrnaacute rychlost větru vstr= 74 ms-1 standardniacute odchylka σw=35 ms-1 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny v teacuteto lokalitě probiacutehaacute analogicky jako v předešleacute kapitole Prvniacute je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr standardniacute odchylky σw a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu Mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 2225

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 8355

Graf Weibullovy funkce je pro lokalitu Noveacute Dvorce je zobrazen na obraacutezku 32

Obr 32 Weibullova funkce pro lokalitu Noveacute Dvorce

73

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě Novyacutech Dvorců je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 10 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 025 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 10372m sdot sminus1

Kapacitniacute faktor je potom určen podle analogickeacuteho vztahu jako v předešleacute kapitole pro Noveacute Dvorce je kapacitniacute faktor teacuteměř dvojnaacutesobnyacute což znamenaacute zvyacutešeniacute celkoveacuteho vyacutekonu dodaacuteveneacuteho elektraacuternami

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 0474

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Novyacutech Dvorciacutech použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 580 m průměrnaacute teplota t= 73 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=10372 ms Pnom se potom rovnaacute 2467 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obr

Obr 34 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro lokalitu Noveacute Dvorce Pav= 116 845 W Ročniacute

74

průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 116845 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na Červeneacutem kopci je potom Pwf=23369 kW Vypočiacutetanyacute vyacutekon je průměrně dostupnyacute 1500 hodrok jak uvaacutediacute zdroj [2] Celkovaacute elektrickaacute energie vyprodukovanaacute za 1 rok se určiacute dle vztahu

W = PWT sdot1500 = 3505 times105 kWh rok

Takto vysokaacute hodnota je daacutena předevšiacutem vhodnostiacute vybraneacute lokality kapacitniacute faktor CFA se tudiacutež bliacutežiacute nejvyššiacutem hodnotaacutem kteryacutech je elektraacuterna E33 schopna dosaacutehnout a to CFAmax= 05

65 Elektrolyzeacuter

Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutemu rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute Po uvaacuteženiacute předešlyacutech informaciacute byl pro aplikaci vybraacuten vysokotlakyacute elektrolyzeacuter NELP40 firmy Norsk Hydro Elektrolyzeacuter NELP40 maacute vyacutejimečnyacute dynamickyacute rozsah a to mezi 10 až 100 instalovaneacuteho vyacutekonu při zachovaacuteniacute vysokeacute čistoty vodiacuteku Rychlost vyacuteroby vodiacuteku okamžitě reaguje na rychleacute změny přiacutekonu což je ideaacutelniacute vlastnost pro spojeniacute s větrnou energiiacute Elektrolyzeacuter je pod delšiacute dobu schopen byacutet v režimu stand-by což umožňuje okamžiteacute obnoveniacute vyacuteroby vodiacuteku v přiacutepadě dobryacutech větrnyacutech podmiacutenek Tabulka 8 ukazuje provozniacute charakteristiky tohoto elektrolyzeacuteru

Jmenovitaacute Kapacita

Dynamickyacute rozsah kapacity

Vyacutestupniacute tlak

Čistota vodiacuteku

40 Nm3hod (36 kghod)

10 - 100 jmenoviteacute kapacity

16 bar g (232 psi g)

999

75

Naacuteběhovyacute čas ze stand-by do max kapacity

Reakce na dynamickou změnu zatiacuteženiacute

Okolniacute teplota

Kontrolniacute systeacutem

Elektrolyt

Potřebneacute napět

Frekvence zdroje

Spotřeba energie na Nm3 H2

Spotřeba vody na Nm3 H2

Vyacutekon potřebnyacute k maximaacutelniacute produkci

Vodivost vody

Průtok chladiacuteciacute vody

Teplota chladiacuteciacute vody

lt 3 sekundy

lt 1 sekunda

-20degC - +40degC

automatickyacute daacutelkovyacute monitoring a ovlaacutedaacuteniacute

32 vodnyacute roztok KOH

400 V

50 Hz

48 KWh

09 litru

192 kW

lt 5 microScm

15 m3hod při max kapacitě

lt 25degC

Tab 8 Provozniacute charakteristiky NELP40 [5]

Pro vyacutepočet celkoveacuteho množstviacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku danyacutem elektrolyzeacuterem vyjdeme z provozniacutech charakteristik elektrolyzeacuteru a celkoveacute elektrickeacute energie vyprodukovaneacute za 1 rok našimi větrnyacutemi elektraacuternami Vyacutepočet proveden v přiacuteloze 3 Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku VH potřebneacute množstviacute vody VV a hmotnost vyprodukovaneacuteho vodiacuteku mH je potom

VH = 73030Nm3H2 rokmH = 6573kg rokVV = 65730l rok

Pokud chceme vyčiacuteslit cenu produkce 1 kg vodiacuteku musiacuteme v prvniacutem kroku zařadit větrneacute podmiacutenky v našiacute lokalitě zařadit do kategorie klasifikace větrneacute energie podle obraacutezku 33

76

Obr 33 Klasifikace větrneacute energie [22]

Středniacute rychlost větru pro lokalitu Novyacutech Dvorců je vstr=74 ms-1 nicmeacuteně hustota větrneacute energie je odhadem nižšiacute proto naše lokalita spadaacute do kategorie 6 Podle obraacutezku 34 pak můžeme určit cenovyacute interval vyacuteroby 1 kg vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech Dle obraacutezku je nejnižšiacute možnaacute cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku lehce pod 3 dolary neboli 59 Kč

Obr 34 Cena elektrolytickeacute vyacuteroby 1 kg vodiacuteku dle třiacuted větrneacute energie [22]

66 Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta

Vodiacutek neniacute zdrojem ale přenašečem energie Užitiacute vodiacuteku neniacute omezeno pouze na palivoveacute člaacutenky vodiacutek je vyacutehodneacute palivo i pro klasickeacute spalovaciacute (benziacutenoveacute i naftoveacute) motory Užitiacutem vodiacuteku ve spalovaciacutech motorech vznikajiacute NOx i když jako jedineacute polutanty Diacuteky mnohem menšiacutem naacutekladům na uacutepravu spalovaciacutech motorů pro provoz na vodiacutekoveacute palivo v porovnaacuteniacute s palivovyacutemi člaacutenky se jeviacute varianta spalovaacuteniacute vodiacuteku v nich jako přechodně preferovanějšiacute řešeniacute do doby vyacuterazneacuteho sniacuteženiacute naacutekladů na palivoveacute člaacutenky nebo do doby zvyacutešeniacute jejich uacutečinnosti

77

Pro budouciacute hlavniacute vyacuterobu vodiacuteku prostřednictviacutem elektrolyacutezy vody je nutnyacute dalšiacute vyacuteznamnyacute energetickyacute nosič - elektřina Obdobně jako u elektřiny vyacutehody užitiacute vodiacuteku zaacutevisiacute na tom jak je vodiacutek vyraacuteběn Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny např vyraacuteběneacute z uhliacute zvyacutešiacute se sice bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute ale vyacuterazně se zvyacutešiacute emise CO2 Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny z obnovitelnyacutech zdrojů zvyacutešiacute se bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute a sniacutežiacute emise CO2 ale přidaacutevajiacute se dalšiacute vlivy tohoto způsobu vyacuteroby elektřiny (omezenost obnovitelnyacutech zdrojů) Umiacutestěniacute dostatečneacuteho množstviacute paliva ve vozidle je dalšiacute probleacutem kteryacute dnes neniacute uspokojivě vyřešen Hlavniacute vyacutehodou vodiacuteku jako energetickeacuteho nosiče je že nabiacuteziacute cestu k decentralizovaneacutemu energetickeacutemu trhu na baacutezi nefosilniacutech paliv Vodiacutek je možneacute použiacutevat ve vozidle jako palivo bud přiacutemo ve spalovaciacutem motoru nebo jako zdroj elektrickeacute energie v palivoveacutem člaacutenku v elektromobilu Při vyacuterobě vodiacuteku elektrolyacutezou vody použitiacutem elektrickeacute energie vyrobeneacute z obnovitelnyacutech zdrojů je vodiacutek nejčistšiacutem současnyacutem palivem Z hlediska snižovaacuteniacute emisiacute skleniacutekovyacutech plynů je podstatneacute že automobily jezdiacuteciacute na vodiacutek oproti elektromobilům využiacutevajiacuteciacutech elektřinu z fosilniacutech paliv nevytvaacuteřiacute žaacutedneacute emise oxidu uhličiteacuteho Použitiacute vzduchu jako palivoveacute složky při využitiacute niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků nepřinaacutešiacute emise NOx Probleacutemy s bezpečnostiacute a cena vozidel s přiacutemyacutem spalovaacuteniacutem vodiacuteku jsou však hlavniacute důvody proč se současnyacute vyacutevoj využitiacute vodiacuteku v automobilech orientuje spiacuteše na palivoveacute člaacutenky kde se vodiacutek využiacutevaacute na vyacuterobu elektrickeacute energie Nicmeacuteně se zaměřiacuteme na použitiacute vodiacuteku ve spalovaciacutem motoru a to převaacutežně z důvodu možneacuteho rychleacuteho nasazeniacute do provozu jelikož uacuteprava spalovaciacuteho motoru neniacute komplikovanaacute a byla už reaacutelně předvedena Dalšiacutem důvodem je cena automobil vybavenyacute palivovyacutemi člaacutenky o stejneacutem vyacutekonu jako 2 litrovyacute benzinovyacute motor maacute desetinaacutesobnou cenu celkovyacutech naacutekladu na konverzi auta se spalovaciacutem motorem [23] Palivovyacute systeacutem motoru je vybaven elektronickyacutem směšovaciacutem systeacutemem kteryacute určuje směšovaciacute poměr vodiacuteku a vzduchu Spalovaacuteniacute probiacutehaacute s přebytkem vzduchu Přiacutedavnyacute vzduch ve spalovaciacutem prostoru odniacutemaacute teplo a tiacutem klesaacute teplota plamene pod kritickou mez nad niž by se směs mohla sama vzniacutetit Vznikajiacuteciacute oxidy dusiacuteku (NOx) jsou neutralizovaacuteny v redukčniacutem katalyzaacutetoru Bez dalšiacutech přiacutedavnyacutech zařiacutezeniacute pracujiacute vodiacutekoveacute motory prakticky bez emisiacute oproti benzinu jsou všechny emisniacute komponenty sniacuteženy až o 999 [23]

661 Koncept Fordu Focus s vodiacutekovyacutem palivem

Projekt uacutepravy seacuteriově vyraacuteběneacuteho Fordu Focus byl koordinovaacuten daacutenskou nevlaacutedniacute organizaciacute Folkencenter kteraacute byla založena v roce 1983 Hlavniacute naacuteplniacute teacuteto organizace je vyacutevoj testovaacuteniacute a demonstrovaacuteniacute technologiiacute využiacutevajiacuteciacute obnovitelneacute zdroje energie Standardniacute Ford Focus s 2 litrovyacutem benziacutenovyacutem motorem byl konvertovaacuten na použitiacute vodiacuteku jako paliva Vysokotlakaacute naacutedrž na vodiacutek o objemu 90 l byla uložena do zadniacute čaacutesti automobilu Bezpečnostniacute a ovlaacutedaciacute prvky byly speciaacutelně vyvinuty Scheacutema systeacutemu je na obraacutezku 35

78

Obr 35 Scheacutema konceptu vodiacutekoveacuteho Fordu Focus [23]

Motor konceptu je startovaacuten pomociacute benziacutenu a po dostatečneacutem zvyacutešeniacute otaacuteček je automaticky přepnut na vodiacutekoveacute palivo Toto uspořaacutedaacuteniacute umožňuje plynuleacute starty a nabiacuteziacute možnost cestovaacuteniacute na delšiacute trasy za použitiacute konvenčniacutech paliv Modifikace byly provedeny na hlavě vaacutelce Palivovyacute systeacutem vodiacuteku byl nově vyvinut přesneacute elektronickeacute řiacutezeniacute motoru je založeno na rychlosti a zatiacuteženiacute motoru Maximaacutelniacute vyacutekon 46 k dostaneme při 4600 otm což umožňuje vyvinout rychlost až 110 kmh Vyacutekonovaacute křivka motoru je na obraacutezku 36

Obr 36 Porovnaacuteniacute vyacutekonu motoru Fordu Focus při použitiacute vodiacuteku a benziacutenu jako paliva [23]

79

662 Průměrnaacute spotřeba vodiacuteku jako paliva

Pro analyacutezy využitiacute vodiacuteku jako paliva a plaacutenovaacuteniacute spraacutevneacuteho rozvrženiacute čerpaciacutech stanic jsou elektrolytickeacute systeacutemy kategorizovaacuteny do naacutesledujiacuteciacutech kategoriiacute dle [24]

bull Domaacuteciacute velikost poskytne palivo pro 1-5 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 200-1000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho sousedstviacute poskytne palivo pro 5-50 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 1000-10000 kg H2rok

bull Velikost sousedstviacute poskytne palivo pro 50 - 150 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 10000-30000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho předměstiacute což může reprezentovat stojan u staacutevajiacuteciacutech benzinovyacutech pump poskytuje palivo pro 150-500 aut a produkce vodiacuteku dosahuje 30000-100000 kg H2rok

bull Velikost předměstiacute poskytne palivo pro viacutece než 500 automobilů za rok a produkce vodiacuteku bude většiacute než 100000 kg H2rok

Počet aut byl určen vyacutepočtem kteryacute předpoklaacutedaacute spotřebu jednoho auta na 200 kg vodiacuteku za rok Spotřeba 200 kg vodiacuteku předpoklaacutedaacute že auto ujede ročně průměrně 19000 km a průměrnaacute spotřeba bude 104 kg vodiacuteku na 100 km Při použitiacute stejnyacutech předpokladů a a použitiacute množstviacute naacutemi vyrobeneacuteho vodiacuteku a to mH=6573 kg může systeacutem instalovanyacute v Novyacutech Dvorciacutech pokryacutet ročniacute spotřebu až 32 automobilů Při zahrnutiacute informaciacute o naacutekladoveacute ceně na vyacuterobu jednoho 1kg paliva a průměrneacute spotřebě automobilu viz přiacuteloha 3 by cena na ujetiacute jednoho kilometru byla 061 Kč Tato cena nereflektuje daň spotřebniacute ani daň z přidaneacute hodnoty

663 Bezpečnostniacute zaacutesady

Vodiacutek je velmi lehkyacute a hořlavyacute plyn kteryacute ve spojeniacute se vzduchem vytvaacuteřiacute vyacutebušnou směs proto je potřeba dodržovat při konstrukci a provozu systeacutemů využiacutevajiacuteciacutech vodiacutek určiteacute bezpečnostniacute zaacutesady a postupy jako napřiacuteklad

bull Dokonale utěsněneacute trubkoveacute prostupy do zařiacutezeniacute a budovbull Použiacutevat bezpečnaacute zařiacutezeniacute ktereacute neprodukujiacute jiskry (osvětleniacute topeniacute

klimatizace)bull Ověřovaacuteniacute diferenčniacutech tlaků použiacutevaacuteniacute ventilaacutetorůbull Použiacutevaacuteniacute panelů miacuterniacuteciacutech přiacutepadnyacute vyacutebuchbull Testovaacuteniacute vodiacutekoveacuteho potrubiacute na tlakoveacute ztraacutety a uacutenikbull Potrubiacute a tlakoveacute naacutedoby profukovat dusiacutekem před manipulacemi s

armaturami aby jsme minimalizovali pravděpodobnost vytvořeniacute hořlaveacute směsi mezi vodiacutekem a vzduchem

Nouzoveacute vypiacutenače

Pro zajištěniacute rychleacute odstaacutevky vyacuteroby by měly byacutet v miacutestě instalace umiacutestěny nouzoveacute vypiacutenače Spraacutevneacute umiacutestěniacute samozřejmě zaacutevisiacute na konkreacutetniacutem provedeniacute systeacutemu Pro vyacuterobu vodiacuteku pomociacute elektrolyzeacuteru by měly byacutet umiacutestěny řiacutediacuteciacute budově na PLC skřiacuteni dalšiacute vhodneacute miacutesto je mimo hlavniacute vstup do produkčniacute budovy v produkčniacute budově opět umiacutestěniacute v bliacutezkosti PLC skřiacuteně

80

Aktivace nouzoveacuteho vypiacutenače by mělo naacutehle ukončit produkci vodiacuteku nebo odstavit proud přechaacutezejiacuteciacute do elektrolyzeacuteru Aktivace zavře pneumatickyacute ventil tak aby došlo k izolaci vysokotlakeacuteho vodiacuteku uloženeacuteho v zaacutesobniacuteku Naacutemi použityacute alkalickyacute elektrolyzeacuter ukončiacute svou činnost okamžitě po odstaveniacute probiacutehaacute promyacutevaacuteniacute dusiacutekem ktereacute trvaacute 10 až 15 minut

Detekce vodiacuteku

Produkčniacute budova a kompresorovna by měly miacutet vodiacutekoveacute detektory Vodiacutekoveacute detektory začnou vydaacutevat alarm když koncentrace vodiacuteku překročiacute 10 Detektory jsou kontinuaacutelně sledovaacuteny PLC ktereacute v přiacutepadě zvyacutešeniacute koncentrace odstaviacute vyacuterobu vodiacuteku a spustiacute alarm

Ventilace

Odsaacutevaciacute ventilaacutetor instalovaacuten do produkčniacute i kompresoroveacute budovy je v provozu kontinuaacutelně aby se zabraacutenilo nahromaděniacute unikajiacuteciacuteho vodiacuteku Odsaacutevaciacute ventilaacutetor je v provozu pokud probiacutehaacute vyacuteroba vodiacuteku Elektrolyzeacuter i kompresor jsou pozastaveny dokud nebude dosaženo na odsaacutevaciacutem ventilaacutetoru potřebneacute diferenciace tlaku kteryacute indikuje dostatečnyacute průtok vzduchu Tlaky jsou opět monitorovaacuteny PLC ktereacute zastaviacute vyacuterobu v přiacutepadě poklesu rozdiacutelu tlaku

Požaacuterniacute detekce

Protipožaacuterniacute ochrana se obvykle sklaacutedaacute ze dvou požaacuterniacutech hlaacutesičů odolaacutevajiacuteciacutech počasiacute a dvou optoelektronickyacutech detektorů kouře V produkčniacute budově jsou umiacutestěny UVIR detektory a detektory monitorujiacuteciacute tepelnyacute vyacutekon Všechny veškereacute detektory jsou spojeny s PLC ktereacute v přiacutepadě detekce požaacuteru odstaviacute vyacuterobu

81

Zaacutevěr

Praacutece teoreticky nastiňuje možnosti použitiacute hybridniacuteho systeacutemu spojeniacute dvou menšiacutech větrnyacutech elektraacuteren firmy Enercon o jmenoviteacutem vyacutekonu 330 kW a alkalickeacuteho elektrolyzeacuteru NELP40 firmy Norsk Hydro Zaacutekladniacutem krokem vyacutepočtu je nalezeniacute vhodneacute lokality umiacutestěniacute větrnyacutech elektraacuteren Prvotniacute vyacuteběr se provaacutediacute pomociacute větrneacute mapy kterou distribuuje ČHMUacute V našem přiacutepadě byla vybraacutena lokalita letiště v Mošnově Druhyacutem krokem je měřeniacute přiacutemo v miacutestě umiacutestěniacute potenciaacutelniacute větrneacute elektraacuterny Pro tento krok byly využity data dodanaacute miacutestniacute meteorologickou staniciacute Data se statisticky zpracovala a ukaacutezala naacutem zaacutekladniacute vlastnosti větru v mošnovskeacute lokalitě Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov je vstr=3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1 Tyto hodnoty jsou měřeny ve vyacutešce 3 m nad tereacutenem Pomociacute těchto hodnot byly určeny hodnoty tvaroveacuteho Weibull parametru k=1459 a rozměroveacuteho Weibull parametru c=3969 ms-1 Jelikož budou rotory větrneacute elektraacuterny umiacutestěny ve vyacutešce 44 m je potřeba přepočiacutetat průměrnou rychlost větru praacutevě pro 44 m průměrnaacute rychlost větru ve 44 m je potom Ur=682 ms-1 Jedniacutem ze zaacutekladniacutech faktorů ukazujiacuteciacutech kvalitu umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny je tzv kapacitniacute faktor CFA=029 tato hodnota je relativně niacutezkaacute a dalo se tedy předpoklaacutedat že lokalita v Mošnově neniacute ideaacutelniacutem miacutestem pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Domněnka byla potvrzena po dopočiacutetaacuteniacute celkoveacuteho vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren Pwf=44691 kW Tato hodnota je velmi niacutezkaacute pokud vezmeme v potaz celkovyacute nominaacutelniacute vyacutekon obou elektraacuteren kteryacute je 660 kW Podle větrneacute mapy byly vybraacuteny Noveacute Dvorce jako alternativniacute možnost umiacutestěniacute našich elektraacuteren Shodou okolnostiacute toto miacutesto již využiacutevaacute společnost Větrnaacute energie HL sro kteraacute zde umiacutestila 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele byla v miacutestě naměřena průměrnaacute rychlost větru vstr=74 ms=1 a standardniacute odchylka je potom σw=35 ms-1 Tyto hodnoty byly měřeny ve vyacutešce 10 m Vyacutepočet probiacutehal analogicky jako v prvniacutem přiacutepadě Kapacitniacute faktor CFA=0474 Stejně jako v předešleacutem přiacutepadě se dalo tušit že celkovyacute vyacutekon bude vysokyacute maximaacutelniacute kapacitniacute faktor pro větrnou elektraacuternu Enercon E33 je totiž 05 Celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren je v tomto přiacutepadě Pwf=23369 kW což je velmi dobraacute hodnota Předpoklaacutedaacute se že dostupnost tohoto vyacutekonu je 1500 hodin ročně celkovaacute vyrobenaacute elektrickaacute energie W=3505x105 kWhrok Elektrickaacute energie je spotřebovaacutena elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro kteryacute je pomociacute niacute schopen vyrobit mh=6573 kgrok Pro zjištěniacute naacutekladoveacute ceny je prvně potřeba klasifikovat větrneacute podmiacutenky podle zdroje [22] naše lokalita spadaacute do 6 kategorie a cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku je tedy 59 Kč Vodiacutek je daacutele použit jako palivo pro automobily ktereacute použiacutevajiacute konvenčniacute spalovaciacute motory upraveneacute pro spalovaacuteniacute vodiacuteku jako paliva Předpoklaacutedaacuteme že průměrnaacute spotřeba vodiacuteku na jedno auto a rok je 200 kg vodiacuteku Předpoklad zahrnuje ujetiacute 19 000 km za rok a průměrneacute spotřeby 104 kg vodiacuteku na 100 km Produkce vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech by pokryla provoz až 32 automobilů Naacutekladovaacute cena na ujetiacute 1 km by byla 061 Kč naacutekladovaacute cena pro benzinovyacute je průměrně 120 Kč Tyto ceny nereflektujiacute vyacuteši spotřebniacute daně a daně z přidaneacute hodnoty Zejmeacutena u daně z přidaneacute hodnoty se daacute předpoklaacutedat daňoveacute zvyacutehodněniacute pro vodiacutekovyacute pohon jelikož tento způsob vyacuteroby a využitiacute vodiacuteku neuvolňuje žaacutedneacute emise

82

Seznam použiteacute literatury

[1] Lakva P Netradičniacute využitiacute větrneacute energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2009 38 s Vedouciacute bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

[2] Rychetniacutek V Pavelka J Větrneacute motory a elektraacuterny ČVUT Praha 1997

[3] Wind energy [online] [citovaacuteno 2012-10-10] Dostupneacute z lthttpwwwgreenrhinoenergycomrenewablewindgt

[4] Luťcha J Hybridniacute soustava větrneacute elektraacuterny a fotovoltaickyacutech člaacutenků KG Process Innovations Brno 2009

[5] Norwegian Electrolysers [online] [citovaacuteno 2012-04-22] Dostupneacute z lthttpwwwnel-hydrogencomgt

[6] Sherif S A Barbir F Veziroglu T N Wind energy and the hydrogen economy-review of the technology Elsevier 2005

[7] Gupta R Hydrogen fuel production transport and storage San Francisco 2008 ISBN 978-1-4200-4575-8

[8] Sobotka K A wind power fuel cell hybrid system study University of Akureyri 2009

[9] Richard S A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles Universiteacute Laval 1996

[10] Agbossou K Chahine R Hamelin J Renewable energy systems based on hydrogen for remote applications Journal of Power Sources New York 2001

[11] Vijayaraghavan K Trends in biological hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy Rennes 2004

[12] Horaacutek B Koziorek J Kopřiva M Studie pohonu mobilniacuteho prostředku s palivovyacutem člaacutenkem VŠB TU Ostrava 2005

[13] Celik AN On the distributional parameters used in assessment of the suitability of wind speed probability density functions Energy Convers Manag Istanbul 2004 [14] Stolten D Krieg D Weber M An Overview on Water Electrolysis Juelich Research Center Berlin 2010

[15] Bourgeois R Advanced Alkaline Electrolysis GE Global Research Center New York 2006

[16] Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav [online] [citovaacuteno 2013-04-21] Dostupneacute z lthttpwwwchmiczgt

83

46Systeacutem palivovyacutech člaacutenků 63

5Instalace ve světě 66

6Přiacutepadovaacute studie 69

61Vyacuteběr lokace 69

62Větrnaacute turbiacutena 69

63Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov 70

64Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce 73

65Elektrolyzeacuter 75

66Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta 77

Zaacutevěr 82

Seznam použiteacute literatury 83

Seznam přiacuteloh 85

9

Seznam použityacutech zkratek

AFC Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

ČHMUacute Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav

HF Vodiacutekovyacute filtr

ICI Imperial chemical industries

IR Infračerveneacute zaacuteřeniacute

MEA Membraacutenoveacute uskupeniacute

MCFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů

NASA Naacuterodniacute uacuteřad pro letectviacute a kosmonautiku

NHL Niacutezkyacute horniacute limit

OF Kysliacutekovyacute filtr

PAFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute

PEM Palivovyacute člaacutenek s polymerniacute membraacutenou

PLC Programovatelnyacute logickyacute automat

SOFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů

UV Ultrafialoveacute zaacuteřeniacute

VHL Vysokyacute horniacute limit

10

Seznam použityacutech symbolů

Symbol Vyacuteznam Jednotka

c Rozměrovyacute Weibull parametr -

CFA Kapacitniacute faktor -

CFAmax Maximaacutelniacute kapacitniacute faktor -

hrf Referenčniacute vyacuteška m

k Tvarovyacute Weibull parametr -

mH Hmotnost vyrobeneacuteho vodiacuteku kg

Pav Vyacutekon v naacutevrhoveacutem bodě kW

Pnom Nominaacutelniacute vyacutekon větrneacute turbiacuteny kW

Pwt Vyacutekon jedneacute větrneacute turbiacuteny kW

Pwf Vyacutekon obou větrnyacutech turbiacuten kW

Rgh Deacutelka turbulence -

Ur Naacutevrhovaacute rychlost větru ms-1

VH Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku za rok Nm3rok

vstr Středniacute rychlost větru ms-1

VV Objem vody potřebneacute k elektrolyacuteze l

Z Nadmořskaacute vyacuteška m

σw Standardniacute odchylka ms-1

Ostatniacute zde neuvedeneacute symboly jsou systematicky vysvětlovaacuteny v textu diplomoveacute praacutece

11

Uacutevod

Plneacute vyacutehody využitiacute vodiacuteku jako udržitelneacuteho zdroje paliva mohou byacutet dosaženy pouze v přiacutepadě že vodiacutek je produkovaacuten z obnovitelnyacutech zdrojů energie Využitiacute větrneacute a solaacuterniacute energie zaznamenalo v posledniacutech letech velkyacute pokrok Tento pokrok znamenaacute sniacuteženiacute ceny energie vyrobeneacute z těchto zdrojů Velmi často jsou takoveacute zdroje energie široce dostupneacute pokud napřiacuteklad bereme v uacutevahu Evropu jako celek v samotneacute Českeacute republice jsou možnosti využitiacute větru a slunečniacute energie relativně maleacute vzhledem k celkoveacute energetickeacute poptaacutevce na našem trhu Obnovitelneacute zdroje energie se mohou uplatnit v odlehlyacutech oblastech nebo v oblastech kde neniacute dostatečně vybudovaacutena elektrickaacute siacuteť a pokryacutet lokaacutelniacute energetickeacute požadavky Provoz solaacuterniacutech a větrnyacutech systeacutemů vysoce zaacutevisiacute na meteorologickyacutech podmiacutenkaacutech a tiacutem paacutedem je produkce elektřiny proměnnaacute v čase a často nereflektuje energetickeacute požadavky Řešeniacute tohoto probleacutemu je uloženiacute energie Energie se nejčastěji uklaacutedaacute pomociacute bateriiacute Baterie rychle ztraacuteciacute uloženou energii a mohou byacutet použity pouze v relativně kraacutetkeacutem časoveacutem uacuteseku Baterie majiacute takeacute limitovanou životnost Lepšiacute možnostiacute uloženiacute energie se jeviacute využitiacute vodiacutek jako nositele energie Molekulaacuterniacute vodiacutek v přiacuterodě neexistuje musiacute byacutet ziacuteskaacuten jinyacutemi způsoby Jedinaacute skutečně vyspělaacute technologie ziacuteskaacutevaacuteniacute vodiacuteku z obnovitelnyacutech zdrojů energie je elektrolyacuteza vody při ktereacute je molekula vody rozdělena na kysliacutek a vodiacutek použitiacutem elektrickeacute energie Elektrolyzeacutery jsou založeny na alkalickyacutech elektrolytech nebo protonoveacute membraacuteně kde je použit materiaacutel Nafion jako elektrolyt Stejnyacute materiaacutel je použit jako elektrolyt i v PEM palivovyacutech člaacutenciacutech Systeacutem elektrolyacutezy vody se sklaacutedaacute z elektrolytickyacutech člaacutenků nebo modulů fluidniacuteho subsysteacutemu dodaacutevajiacuteciacuteho vodu do člaacutenku a odvaacutedějiacuteciacuteho plyny ze člaacutenku a elektrickeacuteho subsysteacutemu Hlavniacutemi komponenty vodniacute elektrolyacutezy katoda anoda a separaacutetor Anoda a katoda musiacute byacutet odolneacute korozi a musiacute byacutet dobryacutemi elektrickyacutemi vodiči Kapacita produkce vodiacuteku pomociacute elektrolyacutezy se může pohybovat řaacutedově od několika cm3min až do tisiacuteců m3h Uacutečinnost procesu se řaacutedově pohybuje kolem 70 Proces elektrolyacutezy požaduje vysokou energetickou hustotu takže proce může byacutet velice drahyacute Vyacuteroba levneacuteho vodiacuteku může byacutet dosažena použitiacutem mimo-špičkoveacute elektrickeacute energie kdy je přebytek energie ze solaacuterniacutech panelů nebo větrneacute elektraacuterny použit pro proces elektrolyacutezy Vodiacutek je nejčastěji uložen ve formě stlačeneacuteho plynu v tlakovyacutech naacutedobaacutech ale existujiacute i dalšiacute možnosti uloženiacute vyrobeneacuteho vodiacuteku (v kapalneacutem stavu v pevnyacutech hydridech kovu a nebo v kapalnyacutech nosičiacutech např metanolu) V obdobiacute elektrickyacutech špiček ale při špatnyacutech povětrnostniacutech podmiacutenkaacutech může byacutet vodiacutek použit jako palivo do vysoce efektivniacutech palivovyacutech člaacutenků k uspokojeniacute elektrickeacute poptaacutevky Vodiacutek vyprodukovanyacute větrnou energiiacute lze použiacutet jako alternativniacute palivo do aut Hlavniacutemi průkopniacuteky použiacutevaacuteniacute vodiacuteku v automobiloveacutem průmyslu jsou značky BMW a Toyota Palivoveacute člaacutenky jsou zařiacutezeniacute produkujiacuteciacute elektrickou energii tak dlouho dokud je zajištěna dodaacutevka vodiacuteku jako paliva Člaacutenky pracujiacute na na přiacutemeacute elektrochemickeacute konverzi paliva dosahujiacute tak vysokeacute uacutečinnosti dosahujiacuteciacute 40 Systeacutemy využiacutevajiacuteciacute vodiacutek nabiacuteziacute flexibilitu v dimenzovaacuteniacute diacuteky modularitě elektrolyzeacuterů palivovyacutech člaacutenků a uskladněniacute vodiacuteku Komplikovanost systeacutemu založeneacuteho na vodiacuteku je velmi vysokaacute Pro zajištěniacute kontinuaacutelniacutech dodaacutevek je potřeba zajistit kvalitniacute management energetickyacutech toků mezi jednotlivyacutemi složkami systeacutemu

12

Provoz elektrolyzeacuteru a palivovyacutech člaacutenků v kombinaci s obnovitelnyacutemi zdroji energie přinaacutešiacute několik probleacutemu Prvniacutem probleacutemem je určeniacute velikosti elektrolyzeacuteru vzhledem k vyacutekonu větrneacute elektraacuterny nebo poli solaacuterniacutech panelů Jednou možnostiacute je navrhnout velikost elektrolyzeacuteru tak aby byl schopen přijmout veškeryacute vyacutekon vyprodukovanyacute vyacutekon nebo použiacutet elektrolyzeacuter s vyacutekonem nižšiacutem než je maximum zdroje V prvniacutem přiacutepadě bude elektrolyzeacuter pracovat se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem jako zdroj Toto řešeniacute je ovšem cenově meacuteně konkurenceschopneacute Druhaacute instalace je ekonomicky vyacutehodnějšiacute jelikož elektrolyzeacuter pracuje při vyššiacute kapacitě ale čaacutest elektrickeacute energie musiacute byacutet využito jinyacutem způsobem než pro vyacuterobu vodiacuteku Provoz elektrolyzeacuteru v kombinaci s obnovitelnyacutem zdrojem energie maacute několik probleacutemů ktereacute je potřeba řešit Obnovitelneacute zdroje jsou velmi nestaacuteleacute zdroje energie takto produkovaacutena může značně koliacutesat hodinu od hodiny den od dne obdobiacute od obdobiacute nebo rok od roku Proměnnyacute přiacutekon může způsobit probleacutemy s termoregulaciacute elektrolyzeacuteru Spraacutevnyacute provoz elektrolyzeacuteru zaacutevisiacute na předpoviacutedatelnyacutech pracovniacutech teplotaacutech Elektrolyzeacutery potřebujiacute určitou dobu na zahřaacutetiacute a provoz pod nominaacutelniacutem přiacutekonem může způsobit nižšiacute provozniacute teploty ktereacute majiacute za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti Komprese vodiacuteku se provaacutediacute piacutestovyacutemi a odstředivyacutemi kompresory Spotřeba kompresoru zaacutevisiacute na tlakoveacutem poměru proto je potřeba uvažovat o tlakovyacutech elektrolyzeacuterech ktereacute mohou sniacutežit celkovou spotřebu energie systeacutemu Sniacuteženiacute spotřeby je důsledkem odstraněniacutem elektrickeacute energie potřebneacute pro mechanickou kompresi Při elektrolyacuteze vznikaacute kromě vodiacuteku takeacute kysliacutek Kysliacutek je převaacutežně vypouštěn ze systeacutemu může byacutet použit při provozu palivoveacuteho člaacutenku zlepšuje totiž jeho vyacutekon Cena kysliacuteku je asi 4x menšiacute než cena vodiacuteku takže je potřeba zvaacutežit zda se vyplatiacute kysliacutek uklaacutedat při dalšiacutech naacutekladech Produkce vodiacuteku požaduje dostatečneacute množstviacute čisteacute vody Nečistoty obsaženeacute ve vodě mohou vyacuteznamně ovlivnit životnosti elektrolytickyacutech člaacutenků Voda je obvykle čištěna přiacutemo na miacutestě instalace čištěniacute vody může byacutet dalšiacutem naacutekladem při produkci vodiacuteku Při provozu elektrolyzeacuteru nastaacutevaacute kraacutetkodobeacute zvyšovaacuteniacute napětiacute způsobeneacute ustaveniacutem rovnovaacutehy obsahu vody v membraacuteně a oxidaciacute katalyzaacutetoru a dalšiacutech kovovyacutech komponentů Současneacute palivoveacute člaacutenky majiacute relativně kraacutetkou životnost kvůli degradaci membraacuteny Životnost elektrolyzeacuteru a palivoveacuteho člaacutenku je potřeba zohlednit při naacutevrhu systeacutemu Dalšiacutem velmi důležityacutem probleacutemem tyacutekajiacuteciacutem se vodiacuteku je bezpečnost Nespraacutevneacute zachaacutezeniacute a skladovaacuteniacute může způsobit určiteacute nebezpečiacute protože vodiacutek maacute niacutezkou teplotu vzniacuteceniacute a je velmi hořlavyacute Plamen hořiacuteciacuteho vodiacuteku je teacuteměř neviditelnyacute lehce tak může způsobit zraněniacute jelikož je těžce pozorovatelnyacute Vodiacutek je těkavyacute a neniacute toxickyacute Naacuteležitaacute ochrana a spraacutevneacute použitiacute systeacutemů využiacutevajiacuteciacute vodiacutek by mělo zaručit bezpečnost a spraacutevnou funkci

13

1Větrnaacute energie

Větrnaacute energie je energie pohybujiacuteciacute se vzduchoveacute masy Pohyb vzduchoveacute masy je způsoben rozdiacutelem teplot v atmosfeacuteře Slunečniacute zaacuteřeniacute ohřiacutevaacute vzduch kteryacute naacutesledně stoupaacute do vyššiacutech pater atmosfeacutery Tento pohyb vzduchu maacute za naacutesledek vytvořeniacute zoacuten nižšiacuteho tlaku vzduchu Tok vzduchu tzn viacutetr tyto tlakoveacute diference vyrovnaacutevaacute Větrnaacute energie je slunečniacute energie přeměněnaacute na kinetickou energii pohybujiacuteciacuteho se vzduchu Větrnaacute energie je globaacutelně nejrychleji rostouciacute sektor vyacuteroby energie z obnovitelnyacutech zdrojů Instalovanyacute vyacutekon v zemiacutech Evropskeacute unie dosaacutehl v roce 2012 100 GW polovina teacuteto kapacity byla instalovanaacute v posledniacutech 6 letech Obraacutezek 1 ukazuje vyacutevoj instalovaneacuteho vyacutekonu

Obr 1 Instalovanyacute vyacutekon větrnyacutech elektraacuteren v EU [14]

Větrneacute elektraacuterny tohoto vyacutekonu jsou schopny pokryacutet potřebu elektrickeacute energie pro 57 milioacutenů domaacutecnostiacute Ekvivalentniacute vyacutekon v uhelnyacutech elektraacuternaacutech by byl dosažen po spaacuteleniacute 72 milioacutenů tun uhliacute což představuje cca 750 000 vagoacutenůI přes tento rozvoj pouze vybraneacute lokality majiacute charakteristiky rychlosti a staacutelosti větru vhodneacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Hraniciacute ekonomickeacute naacutevratnosti investice je pro větrneacute elektraacuterny umiacutestěneacute ve vnitrozemiacute hodnota průměrneacute rychlosti větru 6 ms pro elektraacuterny umiacutestěneacute na moři je tato hodnota 7 ms vyššiacute hodnota je způsobena zejmeacutena zvyacutešenyacutemi investičniacutemi naacuteklady na instalaci tzv off-shore elektraacuteren Prvotniacutem krokem vybraacuteniacute vhodneacute lokality pro instalaci větrneacute elektraacuterny je průzkum satelitniacutech dat o průměrneacute rychlosti větru Zdrojem těchto dat je velkeacute množstviacute instituciacute na obr 2 je mapa vytvořena společnostiacute NASA přesněji satelitem GEOS-1 kteraacute zobrazuje ročniacute průměrnou rychlost ve vyacutešce 50 m Pro českeacute investory budou nejzajiacutemavějšiacute informace ČHMUacute kteryacute je schopen za poplatek dodat informace o směru a rychlosti větru v Českeacute republice Data jsou ovšem nepřiacutemaacute naměřeneacute hodnoty z meteorologickyacute stanic jsou aproximovanaacute pomociacute

0

25

50

75

100

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011

Vyacuteko

n [G

W]

Rok

14

matematickyacutech modelů Tyto mapoveacute podklady sloužiacute k přibližneacutemu určeniacute vhodneacute lokality Konečneacute rozhodnutiacute o instalaci by mělo byacutet založeno na dlouhodobeacutem měřeniacute na konkreacutetniacutem miacutestě plaacutenovaneacute vyacutestavby větrneacute elektraacuterny

Obr 2 Průměrnaacute rychlost větru ve vyacutešce 50 m [15]

Miacutesta s největšiacutem potenciaacutelem pro využitiacute větrneacute energie jsou nad oceaacuteny naopak miacutesta s jednou z nejhoršiacutech využitelnostiacute větrneacute energie jsou centraacutelniacute regiony velkyacutech světadiacutelů Nejvhodnějšiacute lokality pro využiacutevaacuteniacute větrneacute energie jsou pobřežniacute regiony Pobřežniacute regiony jsou znaacutemeacute silnyacutem větrem a velkyacutem poměrem světoveacute populace tzn odběratelů elektrickeacute energie Větrnaacute energie trpiacute stejnyacutem neduhem jako většina zdrojů obnovitelneacute energie a to nestaacutelostiacute a značnyacutemi sezoacutenniacutemi rozdiacutely Je velmi složiteacute přesně předpovědět energetickyacute vyacutestup z větrnyacutech zdrojů Rozvodnaacute siacuteť je schopna tyto sezonniacute vyacutekyvy absorbovat ale pouze v přiacutepadě že větrnaacute energie tvořiacute meacuteně než 20 celkoveacute kapacity siacutetě Diacuteky nestaacutelosti větrneacute energie větrneacute turbiacuteny pracujiacute s niacutezkyacutem kapacitniacutem faktorem Podiacutel větrneacute energie může byacutet vyacuterazně zvyacutešen použitiacutem skladovaciacutech technologiiacute Skladovaciacutech technologiiacute je celaacute řada pro svou praacuteci jsem si vybral jako nejslibnějšiacute technologii použitiacute vodiacuteku jako energetickeacuteho nositele Využitiacute vodiacuteku k vyacuterobě elektřiny je kontrolovatelneacute a dokaacuteže pokryacutet energetickeacute vyacutekyvy v době kdy větrneacute elektraacuterny do siacutetě elektrickou energii nedodaacutevajiacute Pro zajištěniacute spolehlivosti energetickeacuteho zdroje a optimalizaci naacutekladů na instalaci je potřeba najiacutet vhodnyacute vztah mezi jmenovityacutem vyacutekonem větrneacute elektraacuterny a vyacutekonem vodiacutekoveacuteho systeacutemu Vzdušneacute prouděniacute je proměnneacute nejenom v kraacutetkeacutem časoveacutem horizontu ale zaacuteroveň se měniacute i v raacutemci ročniacuteho obdobiacute Tato proměnnost značně ovlivňuje vyacutekonnost celeacuteho systeacutemu Větrnaacute energie se měniacute takeacute teacuteměř z hodiny na hodinu proto je potřeba vytvořit strategii pro pracovniacute režimy elektrolyzeacuteru tak aby nedochaacutezelo k časteacutemu vypiacutenaacuteniacute a zapiacutenaacuteniacute systeacutemu v zaacutevislosti na variaci větrneacute energie Přesnaacute předpověď vyacutevoje rychlosti větru zahrnuta do plaacutenovaciacutech a provozniacutech naacutestrojů systeacutemu může systeacutem značně vylepšit

15

Vyacuteroba vodiacuteku pomociacute větrneacute energie se děje pomociacute elektrolyacutezy vody tento vyacuterobniacute postup je vysvětlen v kapitole ldquoelektrolyacutezardquo Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutem rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute Pomocnaacute energie je dodaacutevanaacute ze stabilniacuteho regulovatelneacuteho zdroje V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Kombinace zdroje jako je větrnaacute elektraacuterna s elektrolyzeacutery může miacutet za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti kvůli ztraacutetaacutem způsobenyacutech konverziacute elektrickeacute energie ze stejnosměrneacute na střiacutedavou a naopak Jak usměrňovače tak invertory spotřebujiacute čaacutest energie Tyto zařiacutezeniacute mohou v ideaacutelniacutech podmiacutenkaacutech pracovat s uacutečinnostiacute kolem 93 - 95 bohužel velmi proměnou energii ziacuteskaacutevanou s větru nemůžeme považovat za ideaacutelniacute podmiacutenky tomu odpoviacutedaacute i znatelně menšiacute uacutečinnost Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute

16

11Větrneacute turbiacuteny

111Technologie

Nejčastěji použiacutevanaacute větrnaacute turbiacutena je tzv vztlakovyacute třiacutelistyacute rotor s vodorovnou osou otaacutečeniacute Pracuje na principu leteckeacute vrtule kdy viacutetr obteacutekaacute lopatky Lopatkyjsou asymetricky tvarovaacuteny proto na každeacute straně lopatky maacute obteacutekajiacuteciacute vzduch jinou

Obr 3 Zjednodušeneacute scheacutema větrneacute elektraacuterny [14]

rychlost to vytvaacuteřiacute tlakovou diferenci ktereacute maacute v konečneacutem důsledku za naacutesledek vytvořeniacute vztlakovyacutech sil ktereacute rotor roztaacutečiacute Hnaciacute uacutestrojiacute je obvykle tvořeno niacutezko-rychlostniacute hřiacutedeliacute kteraacute připojuje rotor k převodovce Převodovka je 2 až 3 stupňovaacute tzv rychlost zvyšujiacuteciacute Převodovka je připojena vysoko-rychlostniacute hřiacutedeliacute ke generaacutetoru Generaacutetory jsou typicky asynchronniacute indukčniacute a pracujiacute v rozmeziacute 550 - 690 V Některeacute turbiacuteny mohou byacutet vybaveny přiacutedavnyacutem generaacutetorem zlepšujiacuteciacutem produkci při niacutezkeacute rychlosti větru Přiacutedavnyacute generaacutetor může byacutet oddělenyacute nebo integrovanyacute v hlavniacutem generaacutetoru Součaacutestiacute větrnyacutech turbiacuten je i transformaacutetor kteryacute pomociacute elektromagnetickeacute indukce zvyšuje napětiacute proudu vznikajiacuteciacuteho ve větrneacute elektraacuterně Sběrnyacute systeacutem na miacutestě větrneacute elektraacuterny obvykle operuje se středniacutem napětiacute cca 25 - 35 kV Obraacutezek 3 zobrazuje zaacutekladniacute čaacutesti typickeacute větrneacute elektraacuterny Typickaacute větrnaacute elektraacuterna je vybavena regulačniacutem systeacutemem naklaacutepěniacute Pomociacute tohoto zařiacutezeniacute jsou uacutehly naacuteběhu listu rotoru staacutele regulovaacuteny tak aby byl rotor optimaacutelně přizpůsoben aktuaacutelniacutem větrnyacutem podmiacutenkaacutem Při vyššiacutech rychlostech větru regulačniacute systeacutemy zajišťujiacute aby vyacutekon elektraacuterny byl co možnaacute nejbliacuteže jmenoviteacuteho vyacutekonu Při nižšiacutech rychlostech optimalizujiacute předaacutevaacuteniacute vyacutekonu nastaveniacutem optimaacutelniacuteho počtu otaacuteček a optimaacutelniacuteho uacutehlu nastaveniacute rotorů Veškereacute funkce elektraacuterny jsou kontrolovaacuteny a řiacutezeny řiacutediacuteciacute jednotkou kteraacute je umiacutestěna

17

většinou ve věži Změny uacutehlu nastaveniacute listů rotoru jsou aktivovaacuteny pomociacute mžikoveacuteho ramene hydraulickyacutem systeacutemem kteryacute umožňuje listům rotovat axiaacutelně Elektricky pohaacuteněneacute převody se starajiacute o nataacutečeniacute celeacute gondoly ve směru větru Pohyb je uskutečňovaacuten pomociacute pastorku v gondole zasahujiacuteciacuteho do zubů otočneacuteho věnce kteryacute je upevněn na vrchniacute čaacutesti věže [2] Ložiskovyacute systeacutem směrovaacuteniacute větru je systeacutem kluzneacuteho ložiska se zabudovanou frikčniacute a blokujiacuteciacute funkciacute Listy rotoru jsou vyrobeny z epoxidoveacute pryskyřice vyztuženeacute skelnyacutem vlaacuteknem Každyacute list rotoru se sklaacutedaacute ze dvou polovin ktereacute jsou spojeny s nosnou traverzou Zvlaacuteštniacute oceloveacute vložky k ukotveniacute spojujiacute listy rotoru s ložiskem Brzděniacute rotoru probiacutehaacute pomociacute nastaveniacute listů Parkovaciacute brzda se nachaacuteziacute na vysokorychlostniacutem hřiacutedeli Gondola chraacuteniacute vnitřniacute komponenty elektraacuterny před povětrnostniacutemi podmiacutenkami a zviacuteřectvem Gondola je nejčastěji vyrobena z plastu[1]

Obr 4 Vztah rychlosti větru a vyacutekonu větrneacute elektraacuterny [8]

Jak je ukaacutezaacuteno na obraacutezku 4 vyacutekon větrneacute elektraacuterny je funkciacute rychlosti větru Vztah mezi vyacutekonem a rychlostiacute větru je definovaacuten pomociacute tzv vyacutekonoveacute charakteristiky kteraacute je unikaacutetniacute pro každou turbiacutenu v některyacutech přiacutepadech se může lišit i v zaacutevislosti na umiacutestěniacute elektraacuterny Pokud se budeme snažit generalizovat tak většina elektraacuteren začiacutenaacute produkovat vyacutekon při rychlosti větru okolo 2 ms jmenoviteacuteho vyacutekonu dosaacutehne okolo 13 ms a k odstaveniacute kolem 25 mskdy je nebezpečiacute poškozeniacute mechanickyacutech čaacutestiacute elektraacuterny a proto dojdek zabrzděniacute rotoru Proměnnost větru maacute za naacutesledek neustaacutelou změnu vyacutekonu Větrnaacute elektraacuterna umiacutestěna v lokaci s dobrou charakteristikou větru je schopna v ročniacutem průměru produkovat maximaacutelně 35 sveacute možneacute kapacity

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek

121Všeobecně

Vzhledem k tomu že větrneacute podmiacutenky jsou specifickeacute pro danou lokalitu a jsou vyacuterazně ovlivněny topologiiacute tereacutenu i překaacutežkami v okoliacute instalovaneacute větrneacute elektraacuterny je nutneacute ziacuteskat co nejpřesnějšiacute kvantitativniacute popis těchto podmiacutenek Elektrickeacute energie produkovanaacute danou větrnou elektraacuternou se vyacuterazně měniacute s odchylkami rychlosti větru od jejiacute středniacute hodnoty Jestliže 50 časoveacuteho uacuteseku

18

je rychlost větru 12 ms a 50 je rychlost 0 ms větrnaacute elektraacuterna vyrobiacute podstatně viacutece energie energie než když 100 tohoto času je rychlost větru 6 ms [3] Tato skutečnost vyplyacutevaacute ze zaacutevislosti vyacutekonu větrneacute elektraacuterny na třetiacute mocnině rychlosti větru [4] Pro vyhodnoceniacute očekaacutevaneacute produkce elektrickeacute energie v daneacute lokalitě je nutnaacute znalost distribuce rychlosti větru

122Počiacutetačoveacute modelovaacuteniacute

V širšiacutem měřiacutetku je možno modelovat průběh rychlosti větru počiacutetačovyacutem modelovaacuteniacutem Speciaacutelniacute vyacutepočetniacute algoritmy dokaacutežiacute popsat vliv různyacutech parametrů na rychlost větru jako je nadmořskaacute vyacuteška topografie a povrch tereacutenu Tyto modely musiacute použiacutevat vstupniacute data o charakteru větru ze znaacutemeacute lokace Roli těchto znaacutemyacutech lokaciacute zastupujiacute předevšiacutem meteorologickeacute stanice ktereacute nabiacuteziacute přesneacute měřeniacute směru a rychlosti větru pro daneacute miacutesto

Obr 5 Průměrnaacute rychlost větru v 10 m [16]

Tyto viacutetr mapujiacuteciacute programy dle znaacutemyacutech hodnot odvodiacute hodnoty rychlostiacute větru pro specifickou vyacutešku a miacutesto na zaacutekladě těchto hodnot se vytvaacuteřiacute tzv atlas větru Atlasy větru jsou vydaacutevaacuteny ve velkeacute množstviacute měřiacutetek od globaacutelniacutech map po mapy lokaacutelniacute U naacutes je zdrojem těchto map předevšiacutem ČHMUacute kteryacute tyto mapy poskytuje potencionaacutelniacutem investorům za uacuteplatu Větrneacute mapy reprezentujiacute nejlepšiacute

19

odhad větrnyacutech zdrojů na velkeacutem uacutezemiacute Nemohou však zastoupit měřeniacute větru přiacutemo na miacutestě anemometrem Sloužiacute k vybraacuteniacute lokality s větrnyacutem potenciaacutelem Dalšiacute vyhodnoceniacute vyacutenosnosti větrneacute elektraacuterny probiacutehaacute již na samotneacutem miacutestě budouciacute instalace a to vyhodnoceniacutem lokaacutelniacutech podmiacutenek ovlivňujiacuteciacutech rychlost prouděniacute větru

123Měřeniacute v miacutestě umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny

Měřeniacute rychlosti se provaacutediacute anemometrem umiacutestěnyacutem v předpoklaacutedaneacute vyacutešce rotoru aby byly vyacutesledky co možnaacute nejviacutece reprezentativniacute Samotneacute měřeniacute se obvykle provaacutediacute v průběhu jednoho roku Tato informace se uvaacutediacute nejčastěji formou sloupcoveacuteho diagramu např obr 6 kteryacute udaacutevaacute procentuaacutelniacute vyacuteskyt rychlosti větru

Obr 6 Četnost vyacuteskytu rychlostiacute větru proloženyacutech funkciacute Weibull

ve třiacutedaacutech o šiacuteřce 1 ms Ze sloupcoveacuteho grafu se vyhodnocuje středniacute rychlost větru zpravidla během jednoho roku většinou tzv Weibullovyacutem rozděleniacutem (fialovaacute křivka na obraacutezku 6) Středniacute rychlost je daacutele použiacutevaacutena při vyacutepočtech vyacutekonu Weibullova funkce je pravděpodobnostniacute dvouparametrovaacute funkce kteraacute maacute tvar

p(v) = kA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ sdot

vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdoteminus vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

kde p(v) pravděpodobnost vyacuteskytu rychlosti v v rychlost větru [ms] k tvarovyacute parametr [-] A parametr měřiacutetka [ms]

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Čet

nost

vyacutes

kytu

[]

Rychlost větru [ms]

20

Rychlost větru je nejnižšiacute na zemskeacutem povrchu a zvyšuje se se stoupajiacuteciacute vyacuteškou tento jev je spojen s vyacuteskytem mezniacute vrstvy při povrchu Vyacutekon větrneacute elektraacuterny je

Obr 7 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

v podstatě uacuteměrnyacute třetiacute mocnině středniacute rychlosti větru Hlavniacute snahou je tedy umiacutestit rotor co možnaacute nejvyacuteše Tento jev je ilustrovaacuten uvedenyacutem vertikaacutelniacutem rychlostniacutem profilem na obraacutezku 7 Z uvedeneacuteho grafu je patrneacute zvyacutešeniacute rychlosti až do vyacutešky 40 - 50 m Kvantitativně tento jev shrnuje obecnaacute tabulka 1 v přiacutepadě je uvažovaacuten nominaacutelniacute vyacutekon při vyacutešce osy rotoru 10 m potom je růst vyacutekonu s rostouciacute vyacuteškou naacutesledujiacuteciacute

Vyacuteška osy rotoru

Zvyacutešeniacute vyacutekonu

10 m 0

19 m 41

27 m 75

36 m 100

46 m 125

Tab 1 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vyacutešk

a [m

]

Rychlost větru[ms]

21

124 Miacutestniacute faktory ovlivňujiacuteciacute rychlost větru

Rychlost větrneacuteho prouděniacute neovlivňujiacute pouze globaacutelniacute faktory jako je topografie geografickeacute umiacutestěniacute a dalšiacute faktory širšiacuteho charakteru Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru se měniacute takeacute s drsnostiacute povrchu turbulenciacute za překaacutežkami Zvyacutešenaacute drsnost povrchu v protisměru převlaacutedajiacuteciacuteho větru může zvyacutešit jeho rychlost v ose rotoru s naacuteslednyacutem zvyacutešeniacutem vyacutekonu [2] Pro kvantitativniacute vyhodnoceniacute vlivu drsnosti povrchu na rychlost větru se použiacutevaacute vztah mezi vyacuteškami osy rotoru a odpoviacutedajiacuteciacutemi rychlostmi větru a vypadaacute takto

kde v rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce osy rotoru h vref rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce rotoru href α exponent jehož hodnota vyjadřuje charakter drsnosti

Pro danou lokalitu je potřebneacute naleacutezt hodnotu exponentu α z vyacutesledků měřeniacute rychlosti větru Typickeacute obecneacute hodnoty exponentů pro větrnou elektraacuternu s referenčniacute vyacuteškou 35 m jsou v tabulce 2

Drsnost povrchu α [ - ]

Faktor zvyacutešeniacute [ - ]

Velmi niacutezkaacute (klidnaacute hladina moře)

010 145

Niacutezkaacute (louky pole)

016 182

Průměrnaacute (les křoviny)

020 212

Vyššiacute (vesnice roztroušeneacute domy)

028 286

Vysokaacute (město s vysokyacutemi budovami)

040 450

Tab 2 Hodnoty exponentu α [4]

Dalšiacutem důležityacutem faktorem ovlivňujiacuteciacutem rychlost větru a chod větrneacute elektraacuterny je turbulence Turbulence je charakterizovanaacute rychlyacutemi změnami rychlosti větru a je měřena standardniacute odchylkou σ od středniacute hodnoty okamžiteacute rychlosti větru zaznamenanyacutech každeacute 2 sekundy po dobu 10 minut Intenzita turbulence je definovanaacute ke středniacute hodnotě rychlosti větru vstr je často definovanaacute jako

v = vref sdothhref

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

α

22

Intenzitu turbulence v miacutestě zamyacutešleneacute instalace větrneacute elektraacuterny je potřebneacute porovnat se standarty mezinaacuterodniacute elektrotechnickeacute komise IEC Tyto standarty pomaacutehajiacute při určeniacute zda turbulence v daneacutem miacutestě nejsou mimo předepsaneacute limity Pokud hodnoty intenzity turbulenciacute přesahujiacute limity způsobily by zkraacuteceniacute životnosti větrneacute elektraacuterny hlavně vlivem uacutenavy konstrukčniacutech materiaacutelů IEC standarty použiacutevajiacute 2 hodnoty

vysokyacute horniacute limit VHL = 012middotvstr+095 niacutezkyacute horniacute limit NHL = 012middotvstr+060

Je-li intenzita turbulence menšiacute než niacutezkyacute horniacute limit je lokalita vhodnaacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Pokud je intenzita většiacute než vysokyacute horniacute limit vyacutestavba neniacute vhodnaacute Turbulence děliacuteme podle druhu vzniku na mechanickou termickou a dynamickou Mechanickaacute turbulence vznikaacute třeniacutem proudiacuteciacuteho vzduchu o nerovnyacute zemskyacute povrch Intenzita mechanickeacute turbulence je zaacutevislaacute na členitosti tereacutenu (stromy les budovy) a na rychlosti větru Zvlaacuteštniacutem druhem mechanickeacute turbulence je turbulence orografickaacute Orografickaacute turbulence vznikaacute důsledkem prouděniacute vzduchu přes horskeacute překaacutežky Tato turbulence vznikaacute i při stabilniacutem zvrstveniacute vzduchu v důsledku vyacuterazneacute deformace vzdušneacuteho proudu V zaacutevětřiacute horskyacutech hřebenů vznikajiacute vertikaacutelniacute pohyby o rychlosti plusmn 10 ms Jeseniacuteky jsou u pilotů kluzaacuteku vyhledaacutevaacuteny praacutevě kvůli časteacutemu vyacuteskytu orografickeacute turbulence kteraacute jim dovoluje provaacutedět přelety v řaacutedech stovek kilometrů Termickaacute turbulence vznikaacute v důsledku labilniacuteho zvrstveniacute atmosfeacutery při prouděniacute studeneacuteho vzduchu nad teplejšiacute povrch nebo v důsledku nerovnoměrneacuteho ohřevu zemskeacuteho povrchu Dynamickaacute turbulence vznikaacute v oblastech velkeacuteho střihu větru Nejčastěji je spojena s oblastmi proudoveacuteho toku

I = σvstr

23

2Elektrolyacuteza

Viacutece než 400 průmyslovyacutech vodniacutech elektrolyzeacuterů bylo v provozu na začaacutetku devatenaacutecteacuteho stoletiacute V roce 1939 byla vybudovaacutena prvniacute velkaacute tovaacuterna v Lonze využiacutevajiacuteciacute vodniacute elektrolyacutezu kteraacute produkovala 10000 Nm3 H2 hod Převaacutežnaacute většina světově produkovaneacuteho vodiacuteku je spotřebovaacutena v petrochemickeacutem průmyslu a při vyacuterobě amoniaku a methanolu Elektrolytickyacute vodiacutek je využiacutevaacuten v menšiacutech aplikaciacutech zvlaacuteště tam kde je požadovaacutena vysokaacute čistota vodiacuteku V potravinaacuteřskeacutem průmyslu je vodiacutek použiacutevaacuten pro zvyacutešeniacute stupně nasyceniacute u tuků a olejů zvyšuje tak jejich bod taacuteniacute a odolnost vůči oxidaci V elektronickeacutem průmyslu je použiacutevaacuten jako redukčniacute činidlo v epitaxaacutelniacutem růstu polysilikonu a ve vyacuterobě integrovanyacutech obvodů V jaderneacutem průmyslu vodiacutek zastupuje roli čističe kysliacuteku kdy odstraňuje kysliacutekoveacute stopy ktereacute mohou způsobit korozniacute poškozeniacute materiaacutelu Maleacute množstviacute vodiacuteku je použiacutevaacuteno takeacute ve farmaceutickeacutem sklaacuteřskeacutem a plasma průmyslu Diacuteky sveacute dobreacute tepelneacute vodivosti je použiacutevaacuten jako chladiacuteciacute meacutedium v elektrickyacutech generaacutetorech elektraacuteren Proces elektrolyacutezy je elektrochemickyacute rozpad molekuly vody na jednotliveacute složky jmenovitě vodiacutek a kysliacutek [7] Podle druhu elektrolytu použiacutevaneacuteho pro přenos elektrickeacuteho proudu v procesu děliacuteme elektrolyacutezu vody na 4 zaacutekladniacute typy Na začaacutetku 19 stoletiacute použiacutevaly prvniacute zařiacutezeniacute na elektrolyacutezu jako elektrolyt kyselinu později bylo od teacuteto metody odstoupeno převaacutežně pro probleacutemy s koroziacute Elektrolyzeacutery použiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolytickou membraacutenu jsou druhyacutem typem Použitaacute membraacutena vodiacute protony a nepropouštiacute kysliacutek Tato technologie je relativně novaacute takže v současneacute době neexistujiacute velkeacute aplikace tohoto druhu elektrolyacutezy Dalšiacutem typem elektrolyacutezy je tzv parniacute elektrolyacuteza probiacutehajiacuteciacute při vysokeacute teplotě použiacutevajiacuteciacute keramickyacute elektrolyt vodiacuteciacute kysliacutekovyacute ion tento způsob maacute potenciaacutel pro vysokou uacutečinnost v současneacute době prokaacutezanou pouze laboratorně V dnešniacute době je nejrozšiacuteřenějšiacute elektrolyacuteza použiacutevajiacuteciacute alkalickyacute elektrolyt nejčastěji hydroxid draselnyacute

21Princip elektrolyacutezy

Při vedeniacute stejnosměrneacuteho proudu mezi dvěma elektrodami ve vodě vznikaacute vodiacutek kysliacutek a teplo podle naacutesledujiacuteciacute rovnice

Čistaacute voda je ovšem špatně vodivaacute proto se musiacute byacutet přidaacuten vodivyacute elektrolyt kteryacute zajistiacute technicky akceptovatelnou uacuteroveň potřebneacuteho napětiacute Elektrickeacute napětiacute přivedeneacute na elektrody musiacute přesaacutehnout minimaacutelniacute hodnotu tak aby reakce proběhla Hodnota tohoto napětiacute je určena Gibbsovou entalpiiacute rozkladu vody a je funkciacute tlaku a teploty Za standardniacutech podmiacutenek (teplota 25 degC tlak 1 bar) je to 123 V Teoretickaacute energie potřebnaacute pro průběh elektrolyacutezy se vyjadřuje pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vyacuterazu

kde ΔH změna entalpie reakce ΔG změna Gibbsovy volneacute energie T teplota a ΔS změna entropie Změna entalpie při standardniacutech podmiacutenkaacutech je 2858 kJmol Změna Gibbsovy volneacute energie je při standardniacutech podmiacutenkaacutech 2372 kJmol To znamenaacute

H2O⎯rarr⎯ H2 +12O2

ΔH = ΔG +T sdot ΔS

24

že 2372 kJ mol z 2858 kJmol musiacute byacutet dodaacuteno elektrickyacutem proudem a zbylaacute čaacutest může byacutet dodaacutena elektrickyacutem proudem nebo teplem V reaacutelnyacutech podmiacutenkaacutech pro niacutezkoteplotniacute elektrolyacutezy je však veškeraacute potřebnaacute energie dodaacutena elektrickyacutem proudem [8] Dalšiacute termodynamickou charakteristikou elektrolyacutezy je reverzibilniacute napětiacute Vyjadřuje minimaacutelniacute elektrickyacute potenciaacutel potřebnyacute k elektrolytickeacute reakci při standardniacutech podmiacutenkaacutech se rovnaacute 123 V

kde 2 je počet elektronů potřebnyacutech k rozděleniacute molekuly vody a F je Faradayova konstanta Termoneutraacutelniacute napětiacute je napětiacute při ktereacutem by pracoval dokonale efektivniacute člaacutenek v přiacutepadě že veškereacute potřebnaacute energie je dodaacutevaacutena elektrickyacutem proudemPro standardniacute podmiacutenky se rovnaacute 148 V a je vyjaacutedřeno naacutesledujiacuteciacutem vztahem

Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem menšiacutem než je napětiacute reverzibilniacute nedojde k rozkladu molekuly vody Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem v rozmeziacute mezi reverzibilniacutem a termoneutraacutelniacutem napětiacute elektrolytickyacute proces je endotermickyacute Je potřeba dodat teplo pro rozpad molekuly vody Napětiacute většiacute než termoneutraacutelniacute napětiacute maacute za naacutesledek že proces je exotermickyacute a veškeraacute energie je dodaacutena z elektrickeacuteho proudu Přidaneacute teplo je potřeba odstranit Reversibilniacute i termoneutraacutelniacute napětiacute jsou funkcemi teploty tlaku a složeniacute elektrolytu [8] Zaacutekladniacutemi čaacutestmi člaacutenku na vodniacute elektrolyacutezu je katoda anoda a oddělovač Katoda musiacute byacutet odolnaacute korozi umiacutestěnaacute v elektrolytu s redukčniacutem potenciaacutelem Katoda musiacute byacutet dobryacute vodič a miacutet strukturaacutelniacute celistvost Elektrody jsou od sebe odděleny membraacutenou nepropouštějiacuteciacute plyny

22Typy elektrolyacutezy

221Alkalickaacute elektrolyacuteza

Alkalickaacute elektrolyacuteza je v současnosti komerčně nejpoužiacutevanějšiacute elektrolyacutezou Tři největšiacute elektrolyzeacutery byly instalovaacuteny ve 40 letech na dodaacutevky vodiacuteku do zařiacutezeniacute na vyacuterobu amoniaku a naacuteslednou vyacuterobu hnojiva Tyto elektrolyzeacutery jsou umiacutestěny v Indii (De Nora) Norsku (Norsk-Hydro) a Egyptě (Demag) Obraacutezek 8 scheacutematicky zobrazuje alkalickyacute elektrolytickyacute člaacutenek

Erev =ΔG2 sdotF

Etn =ΔH2 sdotF

25

Obr 8 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [8]

V alkalickeacutem člaacutenku probiacutehaacute naacutesledujiacuteciacute zjednodušenaacute reakce

V elektrolytu 2H2O⎯rarr⎯ 2H + + 2OH minus

Na katodě 2H + + 2eminus ⎯rarr⎯ H2

Na anodě 2OH minus ⎯rarr⎯ 1

2+ H2O + 2eminus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ H2 +O2

Alkalickaacute elektrolyacuteza probiacutehaacute při teplotě kolem 80degC a při tlaku v rozmeziacute 1 až 30 barů Pro průběh elektrolyacutezy je zapotřebiacute zajistit plynulyacute pohyb hydroxidovyacutech ionů (OH-) z katody na anodu ale zabraacutenit smiacutechaacuteniacute produkovanyacutech plynů Tyto požadavky splňuje tzv separaacutetor (membraacutena nebo clona) Separaacutetorje umiacutestěn mezi elektrody a diacuteky svyacutem charakteristickyacutem vlastnostem propouštiacute hydroxidoveacute iony zatiacutemco zabraňuje v pronikaacuteniacute jednotlivyacutech plynů Voda je obvykle přidaacutevaacutena do cirkulujiacuteciacuteho elektrolytu je to takeacute způsob jak odstranit odpadoveacute teplo z reakce a kontrolovat teplotu procesu Tradičniacute alkalickeacute elektrolyzeacutery jsou konstruovaacuteny pomociacute tzv zero gap design (naacutevrh bez mezery) kde anoda i katoda jsou umiacutestěny do bezprostředniacute bliacutezkosti separaacutetoru Umiacutestěniacute obou elektrod bliacutezko sebe maacute za naacutesledek sniacuteženiacute ohmickyacutech ztraacutet v elektrolytu Pokud se při elektrolyacuteze vytvaacuteřiacute bublinky plynů jsou transportovaacuteny do zadniacute strany elektrod skrze mezery v perforovanyacutech elektrodaacutech a tiacutem paacutedem nebudou blokovat proud ionů mezi elektrodami Vodiacutek je ziacuteskaacutevaacuten na katodaacutech jeho čistota je až 98 objemovyacutech kde jedinyacutemi nečistotami jsou kysliacutek a voda Vodiacutek může byacutet daacutele čištěn až na koncentraci teacuteměř 100 a to odstraněniacutem kysliacuteku v katalytickeacutem deoxideacuteru a vody v sušičce Těmito procedurami ovšem ztratiacuteme 5-10 celkoveacute produkce vodiacuteku Je potřeba si tuto ztraacutetu uvědomit při požadavciacutech na 100 čistyacute vodiacutek

26

Na obraacutezku 9 je zjednodušenyacute diagram průmysloveacuteho uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy Vodiacutek a kysliacutek opouštějiacute proces kde dochaacuteziacute k elektrochemickeacute disociaci vody odděleně přes naacutedoby HV a OV kde jsou odstraňovaacuteny zbytky elektrolytickeacuteho roztoku Elektrolyt a plyny jsou daacutele ochlazeny Z naacutedob pokračujiacute přes filtry HF A OF k odstraněniacute stop po elektrolytu Kysliacutek je uložen nebo spotřebovaacuten v dalšiacutech aplikaciacutech Vodiacutek může byacutet takeacute použiacutet ihned po průchodu filtry nicmeacuteně na obraacutezku 9 prochaacuteziacute dalšiacute čistiacuteciacute sekciacute Čistiacuteciacute sekce se sklaacutedaacute z deoxideacuteru kde dochaacuteziacute ke spalovaacuteniacute kysliacuteku obsaženeacuteho ve vodiacuteku na vodniacute paacuteru kteraacute je daacutele odstraněna v sušičce

Obr 9 Průmysloveacute uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy [7]

222Elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute membraacutenu

Kyseleacute roztoky nejsou v dnešniacute době přiacuteliš použiacutevaacuteny v průmysloveacute elektrolyacuteze vody ale i přesto nabiacutezejiacute alternativu k tekutyacutem alkalickyacutem elektrolytům Polymerniacute membraacuteny se vyznačujiacute velmi dobrou vodivostiacute protonů a špatnou vodivostiacute elektronů Polymerniacute membraacutena tak umožňuje tok protonů mezi elektrodami a zaacuteroveň zabraňuje stejneacutemu pohybu elektronů Elektrony musiacute použiacutet vnějšiacute obvod pro přechod mezi elektrodamiPro kyselyacute elektrolyt vypadaacute rovnice elektrolyacutezy naacutesledovně

Katoda 2H 3O + 2eminus ⎯rarr⎯ 2H2O + H2

Anoda 3H2O⎯rarr⎯ 2H 3O+ +O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

27

Obr 10 Scheacutema elektrolyacutezy s polymerniacute membraacutenou

Polymerniacute membraacutena zastupuje roli jak separaacutetoru tak elektrolytu Většina materiaacutelu membraacuten je založena na sulfonovanyacutech fluoropolymerech k vedeniacute protonů Nejznaacutemějšiacute materiaacutelem membraacuten je tzv Nafionreg kteryacute byl vyvinut společnostiacute Dupont Sulfonoveacute kyseliny jsou vysoce hydrofilniacute (přitahuje vodu) na druhou stranu fluropolymer je hydrofobniacute (odpuzuje vodu) Uvnitř hydratovanyacutech oblastiacute se H+ iony (protony) mohou relativně volně pohybovat tedy vytvaacuteřet zřeďovaneacute kyseliny H+ iony se mohou pohybovat na kraacutetkeacute vzdaacutelenosti i mimo hydratovaneacute oblasti pomociacute podporujiacuteciacutech dlouhyacutech molekulovyacutech struktur Tento pohyb je mnohem obtiacutežnějšiacute Hydratovanaacute membraacutena je tedy jeden z důležityacutech faktorů usnadňujiacuteciacute pohyb protonů a tiacutem paacutedem celkovou miacuteru elektrolyacutezy Horniacute limit teploty pro vyacuteměnu elektronů membraacutenou je okolo 125-150 degC ale většina elektrolyzeacuterů pracuje v režimu s tekutou vodou při teplotě cca 80 degC Vyššiacute pracovniacute teploty ktereacute by zlepšily kinematiku reakce můžeme dosaacutehnout diacuteky novyacutem polymerniacutem materiaacutelům nebo keramickyacutem materiaacutelům vodiacuteciacutem protony Vyššiacute teplota ovšem maacute za naacutesledek generaci většiacuteho množstviacute tepla Teplo musiacute byacutet odstraněno pomociacute cirkulace dostatečneacuteho množstviacute vody podeacutel anodoveacute elektrody člaacutenku Elektrody jsou většinou tvořeny tenkou vrstvou platinoveacuteho katalyzaacutetoru připevněneacuteho k membraacuteně Platina je považovaacutena za nejlepšiacute katalyzaacutetor jak pro anodu tak katodu diacuteky svyacutem termodynamickyacutem a kinetickyacutem vlastnostem Platina je nejnaacutekladnějšiacute čaacutesti elektrolytickyacutech člaacutenků i přes to že se množstviacute použiacutevaneacute platiny značně sniacutežilo [9] Elektrolyacuteza s pevnou membraacutenou pracuje s vyššiacute proudovou hustotou než alkalickaacute elektrolyacuteza I přes vyššiacute ceny materiaacutelů je pro ně potřebnaacute menšiacute plocha člaacutenků pro produkci stejneacuteho množstviacute vodiacuteku než pro alkalickeacute člaacutenky

28

223Parniacute elektrolyacuteza

Parniacute elektrolyacuteza probiacutehaacute za mnohem vyššiacute teploty než předešleacute typy typicky je to kolem 900-1000 degC a voda je do procesu přivaacuteděna jako paacutera Elektrolyt je vyroben z pevneacuteho keramickeacuteho materiaacutelu kteryacute vede kysliacutekoveacute iony Vysokaacute provozniacute teplota je nezbytnaacute pro keramickyacute materiaacutel aby byl dostatečně iontově vodivyacute Parniacute elektrolyzeacutery dodaacutevajiacute velkou čaacutest potřebneacute energie na elektrolyacutezu pomociacute tepla z paacutery miacutesto elektřiny [9] Principiaacutelně funguje stejně jako elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolyt Pevnyacute keramickyacute elektrolyt dovoluje kysliacutekovyacutem ionům prochaacutezet materiaacutelem od katody k anodě zatiacutemco zabraňuje pohybu elektronů ktereacute se přemisťujiacute externiacutem obvodem Keramickyacute elektrolyt takeacute zabraňuje promiacutechaacutevaacuteniacute vznikajiacuteciacutech plynů Na obraacutezku 11 je scheacutematicky zobrazen princip parniacute elektrolyacutezy

Obr 11 Princip parniacute elektrolyacutezy [9]

Zaacutekladniacute reakce probiacutehaacute v elektrodaacutech a odlišuje se od předešlyacutech způsobů elektrolyacutezy Celkovaacute reakce rozpadu vody zůstaacutevaacute nezměněna

Katoda H2O + 2eminus ⎯rarr⎯ H2 +O2minus

Anoda O2minus ⎯rarr⎯ 1

2O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

Vodniacute paacutera je je přivaacuteděna do komory u anody kde reaguje s elektrony a rozpadne se na vodiacutekoveacute a kysliacutekoveacute ionty Po přechodu k anodě kysliacutekoveacute ionty uvolňujiacute elektrony a tak vytvořiacute plynnyacute kysliacutek

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů

Za uacutečelem ziacuteskaacuteniacute požadovaneacuteho množstviacute vodiacuteku jsou elektrolyzeacutery tvořeny většiacutem počtem elektrolytickyacutech člaacutenků nebo paacuterů elektrod ktereacute mohou byacutet spojeny seacuteriově nebo paralelně Existujiacute dva druhy uspořaacutedaacuteniacute člaacutenků a to monopolaacuterniacute (naacutedržovyacute) a bipolaacuterniacute

29

V monopolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute je každaacute elektroda spojena a je napaacutejena externiacutem proudem Elektrody jsou jedno-polaacuterniacute každaacute je katoda nebo anoda Člaacutenky jsou spojeny paralelně tudiacutež napětiacute je stejneacute jak v jednotlivyacutech člaacutenciacutech tak v celeacute naacutedrži bez ohledu na celkovyacute počet člaacutenků Napětiacute je typicky kolem 12 - 2 V Tato konfigurace je jednoduchaacute robustniacute a snadnaacute na uacutedržbu Použiacutevajiacute se relativně levneacute čaacutesti a jednotliveacute buňky jsou snadno izolovatelneacute pro provedeniacute uacutedržby Ze sveacute podstaty maacute většiacute spotřebu energie diacuteky poklesu potenciaacutelu v člaacutenciacutech a je nutneacute použiacutevat vysokyacute proud pro přiměřenou produkci [9]

Obr12 Princip monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute [9]

V bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute jsou elektrody bipolaacuterniacute každaacute elektroda je na jedneacute straně anoda a na druheacute katoda s vyacutejimkou dvou koncovyacutech elektrod z nichž je jedna anoda a druhaacute katoda Buňky jsou spojeny elektricky paralelně a hydraulicky seacuteriově jak je zobrazeno na obraacutezku 13 Proud teče z jedneacute buňky do druheacute a tiacutem paacutedem je stejnyacute pro všechny buňky Celkoveacute napětiacute člaacutenku je rovno součtu napětiacute jednotlivyacutech buněk Každeacute napětiacute zaacutevisiacute na proudoveacute hustotě což je proud na jednotku plochy elektrody a na teplotu elektrolyacutezy V praxi je volt-ampeacuterovaacute charakteristika elektrolyzeacuteru unikaacutetniacute zaacutevisejiacuteciacute na aktivitě elektrody tepelneacute uacutečinnosti a dalšiacutech konstrukčniacutech charakteristikaacutech elektrolyzeacuteru [7]

Obr 13 Princip bipolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute zdroj [9]

V současneacute době neexistujiacute elektrolyzeacutery vyvinuty speciaacutelně pro použitiacute s větrnyacutemi elektraacuternami nicmeacuteně rychlaacute reakce elektrochemickeacuteho systeacutemu na změny energie je dělaacute vhodnyacutemi pro zaacutetěž vyskytujiacuteciacute se při tomto spojeniacute

30

s větrnyacutemi rotory Vyacutepadky dodaacutevek elektřiny však mohou způsobit probleacutemy s koroziacute na elektrodaacutech pokud nejsou chraacuteněny polarizačniacutem proudem v přiacutepadě vyacutepadku dodaacutevky

24Uacutečinnost elektrolyacutezy

V literatuře existuje nejednotnost vyacutekladu co vlastně uacutečinnost elektrolyacutezy je a jak se určuje Autoři zmiňujiacute uacutečinnost energetickou uacutečinnost elektrickou uacutečinnost proudovou uacutečinnost elektrochemickou uacutečinnost Daacutele takeacute zaacutevisiacute zda se jednaacute o uacutečinnost celeacuteho systeacutemu nebo jednotlivyacutech člaacutenků[9][7]Nejobecnějšiacute definice energetickeacute uacutečinnosti elektrolytickeacuteho procesu je

Energetickaacute uacutečinnost = Energetickyacute vyacutestup Celkovaacute dodanaacute energie

V přiacutepadě konvenčniacute vodniacute elektrolyacutezy je energetickyacute vstup limitovaacuten velikostiacute dodaneacute elektrickeacute energie proto je energetickaacute uacutečinnost definovaacutena poměrem energie kteraacute může byacutet obnovena reoxidaciacute vodiacuteku a kysliacuteku za vzniku vody (vyacutehřevnost vodiacuteku) a energie dodaneacute systeacutemu prostřednictviacutem elektrickeacuteho proudu

Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy = Vyacutehřevnost Celkovaacute vstupniacute elektrickaacute energie

Podle teacuteto definice může uacutečinnost přesaacutehnout hodnotu 100 jelikož nebere v uacutevahu energii dodanou do procesu teplem Toto je přiacutepad kdy elektrolyzeacuter pracuje pod termoneutraacutelniacutem napětiacutem když teplo okoliacute je použito jako energetickyacute zdroj a definice jej nebere v uacutevahu [9] Na uacuterovni člaacutenku se energetickaacute uacutečinnost elektrolyacutezy vyjadřuje jako poměr termoneutraacutelniacuteho napětiacute UTN (při standardniacutech podmiacutenkaacutech UTN = 148 V) vůči skutečneacutemu napětiacute člaacutenku U vynaacutesobeno uacutečinnostiacute proudu Uacutečinnost proudu φP je jednoduše poměr počtu elektronů teoreticky potřebnyacutech pro pro vyacuterobu daneacuteho množstviacute vodiacuteku ku skutečneacutemu počtu elektronů dodanyacutech elektrickyacutem proudem potřebnyacutech k vyacuterobě daneacuteho množstviacute vodiacuteku Tato uacutečinnost je typicky kolem 999 Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy ηel je tedy vyjaacutedřena naacutesledujiacuteciacutem vztahem

V zaacutevislosti na zvoleneacutem typu elektrolyacutezy a pracovniacutemi podmiacutenkami se uacutečinnost pohybuje v rozmeziacute 75 - 95 Takto vysokeacute hodnoty uacutečinnosti platiacute pro elektřinu jako zdroj energie Pokud ovšem vezmeme elektřinu jako energetickyacute vyacutestup jineacuteho energetickeacuteho zdroje jako např uhliacute zemniacute plyn nebo zdroje obnovitelneacute energie tak celkoveacute uacutečinnost vyacuteroby vodiacuteku elektrolyacutezou klesne na hranici 30

25Napětiacute člaacutenků

Spotřeba energie elektrolyacutezy je přiacutemo spojena s napětiacutem na člaacutenku a nepřiacutemo s proudovou uacutečinnostiacute Jak už bylo zmiacuteněno dřiacuteve proudovaacute uacutečinnost se bliacutežiacute k hodnotě 100 tzn že důležityacutem parametrem při navrhovaacuteniacute elektrolytickyacutech člaacutenku je napětiacute na člaacutenku

ηel =UTN

UsdotϕP

31

Elektrolyacuteza vody za skutečnyacutech podmiacutenek vyžaduje napětiacute U ktereacute je podstatně vyššiacute než vratneacute napětiacute Urev Musiacute překonat elektrickyacute odpor v elektrodaacutech v elektrolytu mezi elektrodami a separaacutetoru Daacutele musiacute pokryacutet přepětiacute na elektrodaacutech Napětiacute na člaacutenku pak může byacutet vyjaacutedřeno

kde ηK je přepětiacute na katodě ηA je přepětiacute na anodě j je proudovaacute hustota a R je suma elektrickyacutech odporů založenaacute na aktivniacute ploše elektrod Elektrickyacute odpor v elektrodaacutech zaacutevisiacute na typu složeniacute materiaacutelu a teplotě Přepětiacute je určeno aktivitou plochy elektrod složeniacute elektrolytu a teplotou Ohmickyacute odpor spojenyacute s pohybem elektronů je v relativně nevyacuteznamnyacute v bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute představuje ale nezanedbatelnyacute vliv v přiacutepadě monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů [9]

26Vliv provozniacutech podmiacutenek

261Teplota

Zvyacutešeniacute teploty elektrolyacutezy snižuje vratneacute napětiacute UREV a tiacutem paacutedem i celkovou energii vstupujiacuteciacute do procesu Pokud teplota vzroste z 250degC na 1000degC vstupniacute elektrickaacute energie může byacutet sniacutežena o 25 Nicmeacuteně celkovaacute energie potřebnaacute k provedeniacute elektrolyacutezy při vysokeacute teplotě je o něco vyššiacute Vyacutehoda vysokeacute teploty v elektrolytickeacutem procesu je použitiacute tepla jako energetickeacuteho vstupu a tiacutem zvyacutešeniacute uacutečinnosti diacuteky zvyacutešeneacute kinetice procesu Pokud je zdroj tepla snadno dostupnyacute je všeobecně mnohem levnějšiacute než elektřina tento fakt pak může značně ovlivnit celkovou ekonomiku procesu [9]

262Tlak

Tlak při procesu elektrolyacutezy maacute takeacute vliv na energetickeacute požadavky pro vyacuterobu elektrolytickeacuteho vodiacuteku Vratneacute napětiacute při daneacute teplotě T a tlaku p může byacutet určeno z Nernstovi rovnice jako

kde R označuje univerzaacutelniacute plynovou konstantu n počet elektronů potřebnyacutech pro rozděleniacute molekuly vody (n=2) F pro Faradayovu konstantu a aktivita jednotlivyacutech molekul Urev T p=1 vratneacute napětiacute při teplotě T [K] a standardniacutem tlaku p=1 bar Aktivizačniacute koeficienty vodiacuteku aH2 a kysliacuteku aO2 mohou byacutet ziacuteskaacuteny z poměru tlaku vůči atmosferickeacutemu tlaku aH2=pH2p a aO2=pO2p Daacute se předpoklaacutedat že pH2=pO2=p protože tlak na Urev T p=1 kysliacutekoveacute i vodiacutekoveacute straně je stejnyacute Daacutele aktivita vody je přibližně rovna 1 a tlak p=1 bar pak dojde ke zjednodušeniacute Nernstovi rovnice na tvar

Pro teplotu T=298K napětiacute roste s tlakem podle tabulky 3

U =Urev +ηK +ηA + j sdotR

UrevT p =UrevT p=1 +R sdotTn sdotF

lnaH2 sdot(aO2 )

05

aH2O

UrevT p =UrevT p=1 +3sdotR sdotT4 sdotF

ln p

32

Tlak p [bar] 10 30 50 100 200

Urev T p=1 [mV] 44 65 75 89 102

Tab 3 Zaacutevislost reversibilniacuteho napětiacute na tlaku [7]

Elektrolyzeacuter pracujiacuteciacute při tlaku 10 barů při 155V by potřeboval pouze 1608 V pro praacuteci při 200 barech založeno na teoretickeacute uacutevaze kdy (155 V + (102 mV - 44mV))= 162 V Vysokyacute tlak sice zvyšuje teoretickeacute vratneacute napětiacute pouze o paacuter procent i tak je staacutele vyacutehodneacute ho použiacutet ve skutečnyacutech elektrolyzeacuterech a to z důvodu sniacuteženiacute spotřeby energie a to diacuteky zvyacutešeneacute efektivitě (snižuje pracovniacute napětiacute) a vyššiacute dosažitelneacute proudoveacute hustotě Vysokyacute tlak daacutele redukuje velikost plynovyacutech bublinek na plochaacutech elektrod tiacutem zvyšuje vyacutekon buňky Vyacutehody tak převaacutežiacute lehkeacute zvyacutešeniacute teoretickeacuteho napětiacute Hlavniacutem důvodem pro použitiacute vysokotlakeacuteho procesu elektrolyacutezy je ovšem absence potřeby stlačovaacuteniacute vodiacuteku po jeho produkci a tiacutem paacutedem sniacuteženiacute naacutekladů Elektrolyzeacutery dokaacutežiacute zajistit zvyacutešeniacute tlaku při relativně maleacute potřebě energie Malyacute pokles energetickeacute uacutečinnosti procesu vyvaacutežiacute eliminaci kompresoru při dalšiacutem zpracovaacuteniacute vodiacuteku Vysokyacute tlak kolem 400 barů může způsobit mechanickeacute probleacutemy na elektrolyzeacuteru a tiacutem zvyacutešit investičniacute naacuteklady

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku

Spotřeba energie elektrolytickyacutem člaacutenkem může byacutet určena přiacutemyacutem způsobem z pracovniacuteho napětiacute člaacutenku U a proudoveacute uacutečinnosti φP Počet elektronů e- potřebnyacutech pro ziacuteskaacuteniacute jednoho kilogramu vodiacuteku z vodniacute elektrolyacutezy je bez ohledu na pracovniacute podmiacutenky fixniacute a to 26589 kAh Tato hodnota vychaacuteziacute z faktu že 2 elektrony jsou potřeba k vytvořeniacute jedneacute molekuly vodiacuteku z vody zbylaacute čaacutest je jednoduchaacute konverze jednotek zohledněniacutem molaacuterniacute hmotnosti vodiacuteku

Specifickaacute energie elektrolyzeacuteru K v kWhkg H2 pak může byacutet určena pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

kde U je průměrneacute pracovniacute napětiacute jednoho člaacutenku a φi proudovaacute uacutečinnost Tato rovnice nezohledňuje energii potřebnou ke stlačeniacute vodiacuteku pokud je požadovaacuten tlak vyššiacute než kteryacute je na vyacutestupu z elektrolyzeacuteru Nezahrnuje ani malou čaacutest energie potřebnou k de-ionizaci vody a ke konverzi ze střiacutedaveacuteho na stejnosměrnyacute proud Každopaacutedně rovnice naacutem daacutevaacute dobrou představu o spotřebě energie pro samotnyacute elektrolyzeacuter V tabulce 4 jsou shrnuty zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

2eminus

H2

sdot 1000gH2

2016gH2 molH2

sdot 96487Cmol

sdot 1eminus

sdot 1kA1000C s

sdot 1h3600s

= 26589kAh

K = 26589 sdotUϕi

33

Alkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacuteza El pevneacuteho polymeru

Parniacute el

Technologie Konvenčniacute al el

Moderniacuteal el

Inorganickaacutemembraacutenaal el

Pevnyacutepolymer

Vysoko tep lo tn iacute elektrolyzeacuter

Napětiacute člaacutenku [V] 18 - 22 15 - 25 16 - 19 14 - 20 095 - 13

P r o u d o v aacute hustota[Acm2]

013 - 025 02 - 20 02 - 10 10 - 40 03 - 10

Teplota [degC] 70 - 90 80 - 145 90 - 120 80 - 150 900 - 1000

Tlak [bar] 1 - 2 až do 120 až do 40 až do 400 900 - 1000

Elektrolyt 25 - 35 KOH

25 - 40 KOH

14 - 15KOH

Flurosulfonovaacutekyselina Keramickyacute

Uacute č i n n o s t člaacutenku [] 77 - 80 80 - 90 85 - 95 85 - 98 90 - 99

S p o t ř e b a energie [kWhNm3 H2]

43 - 49 38 - 43 36 - 40 36 - 40 25 - 35

Tab 4 Zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

34

3Metody uskladněniacute vodiacuteku

Z důvodu pokrytiacute denniacutech a sezonniacutech rozdiacutelů mezi dostupnostiacute energie a požadavky na tuto energii musiacute byacutet vodiacutek skladovaacuten Vodiacutek může byacutet skladovaacuten v plynneacute formě kapalneacute formě a takeacute jako hydrid kovu Vodiacutek je velmi lehkyacute plyn s malou hustotou To znamenaacute že maleacute množstviacute vodiacuteku zabiacuteraacute velkyacute objem Ciacutelem tedy je zvyacutešit objemovou hustotu vodiacuteku Klasickeacute oceloveacute vysokotlakeacute oceloveacute naacutedoby jsou plněny až na tlak 200 barů Naacutedoby vyrobeneacute ze zesiacutelenyacutech uhliacutekovyacutech vlaacuteken mohou teoreticky uklaacutedat vodiacutek při tlaku až 600 barů prakticky byl dosažen tlak asi 450 barů Ciacutelem automobiloveacuteho průmyslu je však hodnota 700 barů pro skladovaacuteniacute plynneacuteho vodiacuteku při běžneacutem použiacutevaacuteniacute v automobilech To však požaduje vyacutevoj novyacutech kompozitniacutech materiaacutelů ktereacute odolajiacute vysokeacutemu tlaku a nestanou se při styku s vodiacutekem křehkyacutemi S vyššiacutem tlakem roste hustota ale samotnaacute komprese je velmi komplikovanyacute nebezpečnyacute a drahyacute proces Zvyacutešeniacute hustoty vodiacuteku lze takeacute dosaacutehnout zkapalněniacutem nebo převedeniacutem do pevneacuteho stavu Hustota tekuteacuteho vodiacuteku je cca 708 kgm3 v porovnaacuteniacute s hustotou vodiacuteku v pevneacutem stavu a to 706 kgm3 Kondenzačniacute teplota vodiacuteku je při tlaku 1 bar -252degC z toho vyplyacutevaacute že proces zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je velmi energeticky naacuteročnyacute Tekutyacute vodiacutek se tak použiacutevaacute pokud je nezbytneacute zajistit vysokou hustotu napřiacuteklad pro kosmickeacute aplikace[10] Vodiacutek je takeacute schopen vytvaacuteřet hydridy s některyacutemi kovy Vodiacutek v molekulaacuterniacute podobě je absorbovaacuten do atomoveacute mřiacutežky kovů Objemovaacute hustota takoveacuteho vodiacuteku je pak na uacuterovni vodiacuteku kapalneacuteho ale pokud vezmeme v potaz i samotnou hmotnost kovů pak je hustota mnohem nižšiacute V současneacute době je nejvyššiacute dosažitelnaacute hustota jen přibližně 007 kg H2kg kovu při vysokeacute teplotě Vodiacutek v pevneacutem stavu je nejbezpečnějšiacute cesta jak uskladnit energii zvlaacuteště pro stacionaacuterniacute a mobilniacute aplikace Hlavniacutem probleacutemem pro uskladněniacute vodiacuteku v pevneacutem stavu je samotnaacute vaacuteha naacutedržiacute vysokaacute desorpčniacute energie niacutezkaacute kinetika desorpce dlouhaacute doba nabiacutejeniacute vysokyacute tlak a přenos tepla Vodiacutek může byacutet skladovaacuten jako plyn při vysokyacutech tlaciacutech jako kapalina v kryogenniacutech zaacutesobniacuteciacutech jako plyn chemicky vaacutezanyacute (např v hydridech kovů) Na obraacutezku 14 je uveden objem vodiacuteku a hmotnost celeacuteho zařiacutezeniacute vztaženaacute k zmiacuteněnyacutem způsobům skladovaacuteniacute a daacutele v porovnaacuteniacute s benziacutenem metanolem a uchovaacutevaacuteniacutem energie v bateriiacutech (vztaženeacute na energetickyacute ekvivalent 990 000 Btu (1 044 500 kJ))

35

Obr 14 Objemoveacute a hmotnostniacute porovnaacuteniacute paliv odpoviacutedajiacuteciacutech energetickeacutemu ekvivalentu 990000 Btu [12]

Nejlepšiacute cestou skladovaacuteniacute vodiacuteku je jeho uloženiacute ve formě uhlovodiacutekovyacutech paliv ačkoliv tato varianta vyžaduje dodatečnyacute systeacutem jeho extrahovaacuteniacute Niacutezkaacute hustota vodiacuteku ve formě plynneacute i kapalneacute maacute za naacutesledek takeacute niacutezkou hodnotu hustoty energie Danyacute objem vodiacuteku tedy obsahuje meacuteně energie než stejnyacute objem jinyacutech paliv Proto se napřiacuteklad zvyšuje relativniacute skladovaciacute objem naacutedrže pro dosaženiacute daneacute dopravniacute vzdaacutelenosti Použitiacutem vodiacuteku v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků vyrovnaacutevaacuteme podmiacutenky s ostatniacutemi palivy tiacutem že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vyššiacute oproti uacutečinnosti spalovaciacutech motorů takže bude zapotřebiacute meacuteně paliva a tiacutem i energie k dosaženiacute stejneacuteho energetickeacuteho vyacutesledku [12] Přes niacutezkou objemovou energetickou hustotu disponuje vodiacutek nejvyššiacutem poměrem energie k hmotnosti ze všech paliv Avšak tuto vyacutehodu obvykle zastiňuje velkaacute hmotnost zaacutesobniacuteku a naacutevaznyacutech zařiacutezeniacute Většina zaacutesobniacuteků vodiacuteku je značně rozměrnyacutech a těžkyacutech mnohem viacutec než použiacutevaneacute naacutedrže pro benziacuten

36

či naftu [12] Existujiacute i dalšiacute noveacute metody uskladněniacute vodiacuteku jako aktivovanyacute povrch uhliacuteku pomociacute skleněnyacutech mikrokuliček a komplexů polyhydridů Tyto technologie zvyšujiacute objemovou hustotu skladovaacuteniacute vodiacuteku jsou ovšem staacutele vyviacutejeny a v průmyslu zatiacutem nebyly implementovaacuteny [11]

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu

Měrnaacute akumulačniacute kapacita vodiacuteku v plynneacutem stavu zaacutevisiacute na skladovaciacutem tlaku Při skladovaacuteniacute za normaacutelniacutech podmiacutenek je i přes vysokeacute spalneacute teplo vodiacuteku akumulačniacute kapacita relativně niacutezkaacute a to asi 128 MJm3 Pokud se tlak zvyacutešiacute na 10 MPa akumulačniacute kapacita pak bude 1200 MJm3 [10] Stlačenyacute vodiacutek se uskladňuje v tlakovyacutech lahviacutech podobnyacutech těm ktereacute jsou použiacutevaacuteny pro stlačenyacute zemniacute plyn Většina tlakovyacutech zaacutesobniacuteků maacute vaacutelcovyacute tvar s půlkulovyacutemi vypuklyacutemi dny V současneacute době je snaha budovat zaacutesobniacuteky uspořaacutedaneacute za sebou a deformovat vaacutelcovyacute tvar pro zvětšeniacute užitečneacuteho objemu Otvory ve středu půlkulovyacutech den pak umožňujiacute průtok plynu do tlakoveacute naacutedoby a jsou osazeny regulaacutetory a zaacutekladniacutemi prvky řiacutezeniacute průtoku Jeden osazenyacute koncovyacute prvek působiacute primaacuterně jako uzaviacuteraciacute ventil ačkoli obsahuje i pojistnyacute ventil a může daacutele obsahovat i sniacutemače teploty a tlaku pro měřeniacute veličin stavu plynu v zaacutesobniacuteku Druheacute osazeniacute je pak již složityacutem zařiacutezeniacutem ktereacute se sklaacutedaacute ze solenoidoveacuteho nebo elektromagnetickeacuteho ventilu manuaacutelniacuteho uzaviacuteraciacuteho ventilu jednosměrneacuteho ventilu a tlakoveacuteho pojistneacuteho ventilu [12] Elektromagnetickyacute ventil uzaviacuteraacute zaacutesobniacutek a izoluje naacutedobu v přiacutepadě že zařiacutezeniacute je mimo provoz Odstavovaciacute ventil uzavře průtok plynu ze zaacutesobniacuteku jestliže je průtok přiacuteliš velkyacute (např praskne-li trubka) Manuaacutelniacute uzaviacuteraciacute ventil umožňuje aby obsah zaacutesobniacuteku byl uzavřen nebo vypuštěn manuaacutelně v přiacutepadě poruchy elektromagnetickeacuteho ventilu Jednosměrnyacute ventil umožňuje plněniacute zatiacutemco elektromagnetickyacute ventil je uzavřen Pojistnyacute tlakovyacute ventil (na obou konciacutech vaacutelce) vypouštiacute obsah zaacutesobniacuteku v přiacutepadě kdy je vystaven působeniacute vysokyacutech vnitřniacutech tlaků či vysokyacutech okolniacutech teplot (např vystaveniacute ohni) Termiacutenem bdquovysokotlakyacute plynldquo obvykle označujeme plyn s tlaky vyššiacutemi jak 207 barg (3 000 PSIg) a to v přiacutepadě kdy hovořiacuteme o skladovaacuteniacute plynů

37

Obr 15 Konstrukce laacutehve Typu 3 [12] Tlaky vyššiacute jak 2 barg (30 PSIg) představujiacute dostatečnou hrozbu zraněniacute člověka a proto i o nich můžeme v terminologii hovořit jako o vysokyacutech Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky plynu musiacute byacutet konstruovaacuteny z tlustostěnnyacutech vysokopevnostniacutech materiaacutelů a musiacute byacutet velice trvaleacute Zaacutesobniacuteky jsou klasifikovaacuteny do čtyř typů v zaacutevislosti na použiteacutem konstrukčniacutem materiaacutelu viz tabulka 5 Obecně lze řiacuteci že čiacutem meacuteně použiteacuteho kovu tiacutem menšiacute hmotnost zaacutesobniacuteku Z tohoto důvodu je obvykle u vodiacutekovyacutech aplikaciacute použiacutevaacuten typ 3 na obraacutezku 15 V budoucnu však pravděpodobně ziacuteskaacute vyacutesadniacute postaveniacute typ 4 Specifickaacute hmotnost pak zaacutevisiacute individuaacutelně na vyacuterobě daneacuteho typu Jako referenčniacute objem bereme 35 ft3(100 l) U oceloveacuteho zaacutesobniacuteku typu 1 je hmotnost zaacutesobniacuteku přibližně 100 kg u typu 3 65 kg a v přiacutepadě typu 4 je hmotnost zaacutesobniacuteku cca 30 kg [12]

Typ lahve

Popis Hmotnostikovkompozit

Typ 1 Laacutehev kompletně z oceli a hliniacuteku 1000

Typ 2 Laacutehev s kovovyacutem pruhem z oceli čiacute hliniacuteku a s obručemi z kompozitniacuteho materiaacutelu

5545

Typ 3 Laacutehev zcela zabalenaacute do kompozitniacuteho materiaacutelu s tenkyacutemi vrstvami z oceli či hliniacuteku

2080

Typ 4 Laacutehev zcela zabalenaacute v kompozitniacutem materiaacutelu s plastickyacutemi vrstvami

0100

Tab 5 Klasifikace vysokotlakyacutech lahviacute na vodiacutek

38

Typ 3 ziacuteskaacutevaacute nejviacutece pevnosti z kompozitniacuteho obalu kteryacute je navinut kolem vnitřniacute vložky Kompozit se sklaacutedaacute z vysokopevnostniacutech vlaacuteken (obvykle uhliacutekatyacutech) jež jsou stmelena pryskyřiciacute (např epoxid) viz obraacutezek 15 Kombinace vlaacuteken a pryskyřice použiacutevaneacute pro tyto kompozitniacute zaacutesobniacuteky zaručujiacute extreacutemně vysokou odolnost Povrch kompozitu je meacuteně odolnyacute než povrch kovu a je viacutece naacutechylnyacute k fyzikaacutelniacutemu poškozeniacute (střih abraze naacuteraz atd) či chemickeacutemu poškozeniacute (čpavek kyseliny atd) avšak meacuteně naacutechylnyacute ke korozi Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky obvykle skladujiacute vodiacutek při 250 bar i když se zkoušejiacute zaacutesobniacuteky na provozniacute tlak 350 bar Současnyacute stav technologie jež je čaacutestečně ve stadiu vyacutevoje si dovoluje překračovat v testu roztrženiacute zaacutesobniacuteku hodnoty tlaku 1620 bar u zaacutesobniacuteku Typu 4 pak 700 bar Jakeacutekoliv plyny ktereacute se skladujiacute při těchto vysokyacutech tlaciacutech jsou extreacutemně nebezpečneacute a jsou schopny opouštět zaacutesobniacutek proudem plynu s explozivniacutemi uacutečinky sil nebo uvaacutedět do pohybu maleacute předměty jako projektily Neukotvenyacute zaacutesobniacutek se může změnit v raketu v přiacutepadě kdy plyn naacutehle začne proudit malyacutem otvorem Navzdory potenciaacutelniacutemu nebezpečiacute majiacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky velmi dobryacute stupeň bezpečnosti Provedeniacute zaacutesobniacuteku musiacute odpoviacutedat přiacutesnyacutem standardům a musiacute vydržet různeacute certifikačniacute testy Pro zajiacutemavost nesmiacute selhat během 13000 tlakovyacutech cyklech při 100 servisniacutem tlaku plus 5000 cyklů při 125 servisniacutem tlaku ani při 30 cyklech při 166 servisniacuteho tlaku Daacutele prochaacuteziacute testem na roztrženiacute zaacutesobniacuteku při 225 až 3 naacutesobku servisniacuteho tlaku Tlakovaacute laacutehev musiacute daacutele vydržet paacuted z vyacutešky naacuterazy naacuterazy kyvadlem a musiacute byacutet dokonce odolnaacute při vystaveniacute střelbě [12] Během vyacuteroby je každyacute zaacutesobniacutek vystaven hydrostatickyacutem tlakovyacutem testům a testům na těsnost vybraneacute zaacutesobniacuteky zadaneacute seacuterie jsou zkoušeny cyklickyacutemi a pevnostniacutemi testy uvedenyacutemi vyacutešeZaacutesobniacuteky jsou během vyacuteroby označeny je to jeden z nutnyacutech standardů vyacuteroby seacuteriovyacutem čiacuteslem servisniacutem a provozniacutem jmenovityacutem tlakem a datem zhotoveniacute U zaacutesobniacuteků jež nejsou vystavovaacuteny těžkyacutem externiacutem podmiacutenkaacutem a tlak plynu se pohybuje na jmenoviteacute hodnotě se očekaacutevaacute doba životnosti do 15 let nebo do 11 250 naplněniacute Inspekčniacute testy a testy těsnosti jsou rutinniacute součaacutesti uacutedržby Typickeacute mobilniacute aplikace použiacutevajiacute seacuterii zaacutesobniacuteků upevněnyacutech na společneacute rozvodneacute potrubiacute Při nominaacutelniacutem tlaku 250 bar systeacutem zaacutesobniacuteků vaacutežiacute asi čtyřikraacutet viacutece než srovnatelnyacute systeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute formě a zaujiacutemaacute viacutece než čtyřnaacutesobek prostoru V porovnaacuteniacute s benziacutenem je skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacute formě patnaacutectkraacutet naacuteročnějšiacute prostorově a třiadvacetkraacutet hmotnostně Řešeniacute probleacutemu pak vyžaduje napřiacuteklad pokrytiacute 50 střechy autobusu zaacutesobniacuteky vodiacuteku aby byly nahrazeny staacutevajiacuteciacute naacutedrže nafty Navzdory tomuto objemu je celkovaacute hmotnost vodiacuteku jen 40 až 50 kg a je zanedbatelnaacute v porovnaacuteniacute s hmotnostiacute zaacutesobniacuteků a externiacuteho vybaveniacute Skladovaacuteniacute plynu při ještě většiacutem tlaku daacutevaacute menšiacute skladovaciacute objem ale celkovaacute hmotnost zaacutesobniacuteku se přiacuteliš neměniacute jelikož zaacutesobniacuteky musiacute byacutet robustnějšiacute Současnyacute stav (2012) pro tento typ skladovaacuteniacute je 350 bar a hmotnostniacutem poměru 113 u zaacutesobniacuteku typu 4 Komprese plynu je energeticky naacuteročnyacute proces Čiacutem vyššiacute koncovyacute tlak tiacutem většiacute množstviacute energie je potřeba Avšak přiacuterůstek energie potřebneacute k dosaženiacute vyššiacuteho tlaku klesaacute takže počaacutetečniacute uacutesek zůstaacutevaacute energeticky intenzivnějšiacute čaacutestiacute procesu komprimaceVyvaacuteženiacute přiacuterůstku (snižovaacuteniacute) hustoty plynu při vyššiacutech tlaciacutech se staacutevaacute důležitou ekonomickou otaacutezkou v hospodařeniacute s energiiacute při vyššiacutech uacuterovniacutech komprese Užitečnou cestou k pochopeniacute energetickyacutech naacutekladů

39

na komprimaci je způsob jejich vyjadřovaacuteniacute procentem energie na komprimaci z celkoveacute energie obsaženeacute v zaacutesobniacuteku vodiacuteku Za teacuteto podmiacutenky je přibližnaacute spotřeba 5 z celkoveacute energie laacutetky v zaacutesobniacuteku při komprimaci na 350 bar Přesneacute množstviacute energie je samozřejmě zaacutevisleacute na průtoku a uacutečinnosti použiteacuteho kompresoru Ke skladovaacuteniacute vodiacuteku v podobě stlačeneacuteho plynu se využiacutevajiacute předevšiacutem podzemniacute poreacutezniacute zaacutesobniacuteky kolektory solneacute sloje či skalniacute dutiny Anglie a Francie majiacute dlouhodobou zkušenost na poli podzemniacuteho uskladněniacute vodiacuteku Britskyacute chemickyacute koncern ICI uskladňuje vodiacutek v třikraacutet pročištěneacute solneacute sloji v Teeside Vodiacutek je v teacuteto 366 m hlubokeacute sloji natlakovaacuten na 50 barů Od 1957 do 1974 GAZ DE FRANCE uskladňoval městskyacute plyn s obsahem vodiacuteku 50 v kolektoru s objemem 330 milioacutenů m3 Maleacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky jsou bez vyacutejimky provedeny jako nadzemniacute zařiacutezeniacute pro stlačenyacute plyn V průmysloveacutem sektoru se již vyskytla standardizace typů Vyacutesledkem jsou vaacutelcoviteacute zaacutesobniacuteky s maximaacutelniacutem provozniacutem tlakem 5 MPa a 28 m v průměrech ktereacute jsou k dostaacuteniacute s naacutesledujiacuteciacutemi deacutelkami (či vyacuteškami) 73 m (max obsah při 45 MPa je 1 305 Nm3) 108 m (max obsah 2 205 Nm3) a 19 m (max obsah 4 500 Nm3) V tomto přiacutepadě vyacutepočty pro energetickyacute obsah v hmotnostniacute či objemoveacute jednotce včetně samotneacuteho zaacutesobniacuteku vedou na hodnoty 024 ndash 031 kWhkg respektive 0135 kWhl [12] Podzemniacute zaacutesobniacuteky obdobneacute podzemniacutem zaacutesobniacuteků zemniacuteho plynu (v podzemniacutech kavernaacutech ve vodonosnyacutech vrstvaacutech ve vytěženyacutech ložisciacutech ropy apod) Skladovaacuteniacute vodiacuteku v těchto zaacutesobniacuteciacutech bude ovšem asi 3 x dražšiacute než skladovaacuteniacute zemniacuteho plynu převaacutežně kvůli menšiacute objemoveacute kapacitě vodiacuteku Nevyacutehoda takoveacuteho skladovaacuteniacute jsou ztraacutety ktereacute mohou dosaacutehnout až 3 procent ročně Tento typ uacuteložišť se již využiacutevaacute V Kielu se již od roku 1971 skladuje městskyacute plyn kteryacute obsahuje až 65 vodiacuteku v podzemniacutem zaacutesobniacuteku v hloubce 1330 m o objemu 32 000 m3 a tlaku 8 - 16 MPa [10] Nadzemniacute zaacutesobniacutekoveacute systeacutemy se běžně použiacutevajiacute v průmyslu zemniacuteho plynu v různyacutech rozměrovyacutech a tlakovyacutech uacuterovniacutech Běžneacute tlakoveacute lahve o objemu 50 litrů a tlaku 20 Mpa stacionaacuterniacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky s tlakem 20 MPa i většiacutem velkeacute kuloveacute zaacutesobniacuteky o objemu až 30 000 m3 a tlaku 12 - 16 Mpa Naacuteklady jsou u teacuteto metody dosti vysokeacute (komprese vysokotlakeacute naacutedoby) V přiacutepadě použitiacute v automobilu se tato metoda vykazuje rychlou dobou plněniacute a velkyacutem množstviacutem uskladněneacuteho vodiacuteku (na uacutekor bezpečnosti) Na plnou naacutedobu vodiacuteku vaacutežiacuteciacute okolo 40 kg s 39 kg vodiacuteku je auto schopno ujet až 600 km

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu

Systeacutemy skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute faacutezi překonaacutevajiacute mnoho probleacutemů spojenyacutech s objemem a hmotnostiacute při vysokotlakeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku avšak za cenu potřeby zajištěniacute kryogenniacutech teplot Kapalnyacute vodiacutek může byacutet skladovaacuten pod svyacutem bodem varu ktereacuteho za normaacutelniacutech podmiacutenek dosaacutehne při -252882 degC (20268 K) nebo takeacute bliacuteže podmiacutenek okolniacuteho tlaku v dvoustěnnyacutech super izolovanyacutech naacutedržiacutech neboli bdquodewarechldquo (Dewarovyacutech naacutedobaacutech) Tyto izolace jsou izolacemi vakuovyacutemi [12] Zaacutesobniacuteky tekuteacuteho vodiacuteku nepotřebujiacute vysokotlakeacute naacutedoby a proto nemusiacute byacutet tak robustniacute Vodiacutek nemůže byacutet skladovaacuten v zaacutesobniacuteciacutech neomezeně Všechny zaacutesobniacuteky bez ohledu na kvalitu izolace umožňujiacute transfer tepla mezi zaacutesobniacutekem a okoliacutem Velikost teplotniacute netěsnosti zaacutevisiacute na konstrukci a velikosti zaacutesobniacuteku

40

Tyto přiacutečiny přenosu tepla vedou k odpařovaacuteniacute vodiacuteku a zvyšovaacuteniacute tlaku Stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky kapalneacuteho vodiacuteku jsou stavěny nejčastěji ve formě kuloviteacute jelikož koule nabiacuteziacute nejmenšiacute povrch k daneacutemu objemu a proto nejmenšiacute plochu přestupu tepla [12] Zaacutesobniacuteky majiacute maximaacutelniacute konstrukčniacute přetlak kolem 5 bar v přiacutepadě že odběr vodiacuteku je menšiacute než jeho produkce a vypařovaacuteniacutem roste tlak v zaacutesobniacuteku až do hodnoty kdy je odveden pojistnyacutem ventilem Odplyněniacute sniacuteženiacute přetlaku tiacutemto způsobem neniacute jenom přiacutemou ztraacutetou využitelneacuteho paliva ale v přiacutepadě mobilniacutech jednotek i potenciaacutelniacute nebezpečiacute a to předevšiacutem v budovaacutech a garaacutežiacutech Současneacute automobiloveacute aplikace zaacutesobniacuteku kapalneacuteho vodiacuteku odvaacutedějiacute 1 až 2 za den Vodiacutek může byacutet čerpaacuten ze zaacutesobniacuteku buď jako kapalina nebo jako plyn V přiacutepadě že je použiacutevaacuten v jednotkaacutech s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem může byacutet kapalnyacute vodiacutek vstřikovaacuten přiacutemo do vaacutelce v zaacutevislosti na zvyšujiacuteciacutemsnižujiacuteciacutem se množstviacute spalovaneacuteho paliva a pracovniacutem zdvihu V přiacutepadě použitiacute v palivoveacutem člaacutenku plynnyacute vodiacutek může byacutet odčerpaacutevaacuten při odpoviacutedajiacuteciacutem tlaku pro zaacutesobovaacuteniacute daneacute reakce [12] Ačkoli skladovaacuteniacute kapalneacuteho vodiacuteku eliminuje nebezpečiacute spojenaacute s vysokotlakyacutem skladovaacuteniacutem plynů přinaacutešiacute daacutele nově vlastniacute nebezpečiacute spojenaacute s niacutezkyacutemi teplotami Vaacutežnaacute nebezpečiacute omrzlin existujiacute ve spojeniacute s kapalnyacutem vodiacutekem jeho paacuterami a kontaktniacutemi plochami Uhliacutekataacute ocel vystavenaacute teplotaacutem nižšiacutem -30 degC a to přiacutemo nebo nepřiacutemo se staacutevaacute křehkou a je naacutechylnaacute k lomu Vzduch může kondenzovat na povrchovyacutech plochaacutech ktereacute jsou podchlazeneacute může odkapaacutevat daacutele i na materiaacutely nebezpečneacute z pohledu vzniacuteceniacute požaacuteru nebo vyacutebuchu nebezpečiacute totiž spočiacutevaacute v naacutesledneacutem zvyacutešeniacute koncentrace [12] Zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je vzhledem k dosaacutehnutiacute extreacutemně niacutezkyacutech teplot energeticky velmi naacuteročnyacute intenzivniacute proces Zkapalňovaacuteniacute zahrnuje několik kroků Prvniacutem je komprese vodiacuteku v piacutestoveacutem kompresoru přechlazeniacute stlačeneacuteho plynu na teplotu zkapalněniacute dusiacuteku (-195 degC) naacutesleduje expanze přes turbiacutenu a posledniacutem krokem je katalytickaacute konverze na stabilniacute formu vodiacuteku Ve vyacutesledku je energie potřebnaacute k procesu zkapalněniacute ekvivalentem kteryacute překračuje 40 energetickeacute vztažneacute hodnoty vodiacuteku Kapalnou formu vodiacuteku lze relativně uacutečinně transportovat a lehce použiacutevat Je zřejmeacute že během zkapalňovaacuteniacute se vklaacutedajiacute do energie maximaacutelniacute investice a proto se jeviacute proziacuteraveacute skladovat a použiacutevat vodiacutek přiacutemo jako kapalinu kdykoli je to možneacute V zaacutevislosti na množstviacute zkapalňovaneacuteho vodiacuteku jsou použiacutevaacuteny různeacute zkapalňovaciacute metody Velkaacute zařiacutezeniacute obvykle využiacutevajiacute kombinace naacutesledujiacuteciacutech metod - turbiacutenovaacute Joule-Thomsonova či magnetokalorickaacute metoda Ve všech přiacutepadech je zkapalněniacute dosaženo kompresiacute naacutesledovaneacute určityacutem způsobem expanze buď nevratneacute využitiacutem škrtiacuteciacuteho ventilu či čaacutestečně vratneacute využitiacutem expanzniacuteho stroje Obvykle je použito 6 stupňů tepelneacuteho vyacuteměniacuteku přičemž prvniacute je chlazen tekutyacutem dusiacutekem V předposledniacutem kroku obstaraacutevaacute expanzi Joule-Thomsonův ventil Využitiacute magnetokalorickyacutech metod umožňuje přeměnu ortho-vodiacuteku na para-vodiacutek Po několika krociacutech je dosažen obsah para-vodiacuteku okolo 95 Para-vodiacutek maacute menšiacute energetickyacute obsah než ortho-vodiacutek[12] Způsob uskladněniacute kapalneacuteho vodiacuteku je obvykle proveden pomociacute uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků majiacuteciacutech perlitoveacute podtlakoveacute izolace V USA je mnoho obdobnyacutech zaacutesobniacuteků Největšiacute z nich patřiacute NASA a je situovaacuten na mysu Canaveral Tento zaacutesobniacutek maacute objem přibližně 3 800 m3 (přibližně 270 t LH2) Běžneacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky majiacute objemy od 1 500 l (přibližně 1 100 Nm3) až do 75 000 l

41

(přibližně 60 000 Nm3) V souvislosti s aktivitami tyacutekajiacuteciacutemi se dopravniacutech prostředků na vodiacutek byla v Německu vyvinuta malaacute přenosnaacute uskladňovaciacute zařiacutezeniacute Zaacutesobniacuteky pro automobily (umiacutestěneacute v testovanyacutech dopravniacutech prostředciacutech BMW) a autobusy (umiacutestěneacute v MAN-Bus SL202) jsou v současnosti vyraacuteběneacute pouze v maleacutem počtu Zaacutesobniacuteky pro autobusy se sklaacutedajiacute ze třiacute eliptickyacutech křiacutežiacuteciacutech se zaacutesobniacuteků každyacute o objemu 190 l odpoviacutedajiacuteciacute energetickeacutemu obsahu 450 kWh či 150 Nm3 plynneacuteho vodiacuteku při normaacutelniacutech podmiacutenkaacutech Dosažitelnaacute energetickaacute hustota je 45 kWhkg či 213 kWhl Zaacutesobniacuteky jsou konstruovaacuteny z 200 - 300 vrstev izolačniacutech foacuteliiacute dovolujiacuteciacutech odpařit okolo 1 zkapalněneacuteho plynu za den Nicmeacuteně toto množstviacute narůstaacute při spojeniacute několika zaacutesobniacuteků dohromady vlivem ztraacutet ve spojovaciacutem potrubiacute [12]

Obr 16 120 litrovaacute naacutedrž na tekutyacute vodiacutek firmy Linde [16]

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů

Systeacutemy skladovaacuteniacute v hydridech kovů se zaklaacutedajiacute na principu snadneacute absorpce plynu určityacutemi materiaacutely za podmiacutenek vysokeacuteho tlaku a miacuternyacutech teplot Tyto laacutetky pak uvolňujiacute vodiacutek jako plyn v přiacutepadě kdy jsou zahřiacutevaacuteny při niacutezkyacutech tlaciacutech a relativně vysokyacutech teplotaacutech V podstatě tyto materiaacutely kovy nasaacutevajiacute a uvolňujiacute vodiacutek jako bdquohoubaldquo Vyacutehoda skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů se soustřeďuje na skutečnost že vodiacutek se staacutevaacute součaacutestiacute chemickeacute struktury těchto kovů a proto daacutele neniacute požadovaacuten vysokyacute tlak nebo kryogenniacute teplota pro vlastniacute provoz [12] Vodiacutek se uvolňuje z hydridů pro použitiacute při niacutezkeacutem tlaku hydridy kovů jsou ve sveacute podstatě nejbezpečnějšiacute ze všech systeacutemů skladovaacuteniacute Existuje mnoho typů specifickyacutech hydridů kovů primaacuterně se však staviacute na kovovyacutech slitinaacutech hořčiacuteku niklu železa a titanu Hydridy kovů mohou byacutet rozděleny dle vysoko nebo niacutezkoteplotniacute desorpce vodiacuteku Vysokoteplotniacute hydridy jsou levnějšiacute a jsou schopneacute uchovaacutevat viacutece vodiacuteku než niacutezkoteplotniacute ale vyžadujiacute vyacuteznamně viacutece tepelneacute energie

42

pro uvolněniacute vodiacuteku Niacutezkoteplotniacute hydridy mohou na rozdiacutel od vysokoteplotniacutech hydridů ziacuteskat dostatek tepelneacute energie pro uvolněniacute vodiacuteku z vlastniacute jednotky ktereacute vyžadujiacute externiacute zdroj tepelneacute energie Niacutezkaacute teplota desorpce ve spojeniacute s niacutezkoteplotniacutemi hydridy může byacutet probleacutemem vzhledem k přiacuteliš snadneacutemu uvolňovaacuteniacute plynu za okolniacutech podmiacutenek K překonaacuteniacute těchto probleacutemů musiacute byacutet niacutezkoteplotniacute hydrid kovu pod tlakem čiacutemž vzrůstaacute komplikovanost procesu Typickeacute charakteristiky hydridů kovů jsou shromaacutežděny v tabulce 6

Charakteristika NiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacute VysokoteplotniacuteVysokoteplotniacuteVysokoteplotniacute

T i 2 N i -H25

F e T i -H25

VH-VH2 L a N i 5 -H67

M g C u -H3

M g 2 N i -H4

Mg-H

Množs tv iacute s l i t i ny absorbujiacuteciacute H2 []

161 187 192 155 267 371 825

Množstviacute hydridu s c h o p n eacute h o absorbovat energii jako z 1l benziacutenu [kg]

155 134 130 161 - 675 35

Množstviacute slitiny k akumulaci 25 kg vodiacuteku [kg]

217 188 182 225 - 95 50

Desorpčniacute teplota při tlaku 15 barg [degC]

-3 7 15 21 245 267 296

Doplňovaacuteniacute snadneacute - - těžkeacute - těžkeacute těžkeacute

Tab 6 Charakteristika použiacutevanyacutech hydridů kovu [12]

Hlavniacute nevyacutehodou skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů neniacute jen teplota a tlak nutnyacute pro extrakci vodiacuteku ale i jejich niacutezkaacute hustota energie Dokonce i ty nejlepšiacute hydridy obsahujiacute jen 8 hmotnostniacutech procent vodiacuteku Majiacute proto velkou hmotnost a naviacutec jsou draheacute Systeacutem s hydridem kovu může byacutet až třicetkraacutet těžšiacute a desetkraacutet objemnějšiacute než naacutedrž s benziacutenem stejneacuteho energetickeacuteho obsahu Dalšiacute nevyacutehodou systeacutemů na baacutezi hydridu kovu je nutnost použiacutevat jen velmi čistyacute vodiacutek jinak dojde ke kontaminaci hydridu s naacuteslednou ztraacutetou kapacity Kysliacutek a voda jsou prvotniacutemi činiteli jelikož se chemicky adsorbujiacute na povrch kovů a nahrazujiacute potenciaacutel vodiacutekovyacutech vazeb Sniacuteženiacute kapacity kontaminaciacute může byacutet do určiteacute miacutery reaktivovaacuteno teplem Dalšiacute probleacutemy spojeneacute s hydridy kovů souvisiacute s jejich strukturou Typickeacute provedeniacute se naleacutezaacute ve formě zrniteacute granulovaneacute nebo praacuteškoveacute struktury kteraacute tak poskytuje co největšiacute plochu pro kontakt s plynem Tyto čaacutestice jsou naacutechylneacute na abrazi jež u obojiacuteho vede k redukci jejich efektivity a může veacutest k ucpaacuteniacute profilu přepouštěciacutech ventilů nebo trubek Žaacutednyacute specifickyacute materiaacutel nemaacute vynikajiacuteciacute vlastnosti ve všech požadovanyacutech směrech (vysokaacute kapacita absorpce vysokaacute hustota energie malaacute potřeba tepla a niacutezkeacute naacuteklady) Z tohoto důvodu se použiacutevaacute směs různyacutech vysoko a niacutezkoteplotniacutech hydridů kdy se vyrovnaacutevajiacute vyacutehody a nevyacutehody různyacutech typů při různyacutech podmiacutenkaacutech provozu [12]

43

Obr 17 Vlastnosti vybranyacutech hydridů [8]

331 Hydridy alkalickyacutech zemin

Noveacute variace hydridů ktereacute nabiacutezejiacute vyacutehodnějšiacute vlastnosti oproti předchoziacutem metodaacutem se tyacutekajiacute peletizovanyacutech sodiacutekovyacutech drasliacutekovyacutech a lithnyacutech složek Tyto složky hydridů reagujiacute s vodou za vyacutevinu vodiacuteku bez nutnosti dodaacutevaacuteniacute tepelneacute energie Nejpokročilejšiacute komerčně vyviacutejenyacute systeacutem vyžaduje použitiacute hydroxidu sodneacuteho jenž je hojně k dispozici jakožto odpadniacute materiaacutel z průmysloveacute vyacuteroby papiacuteru plastu z ropneacuteho průmyslu a jinyacutech Hydroxid sodnyacute je převeden na hydrid sodnyacute(NaH) za přiacutevodu tepla naacutesledovně

2NaOH + tepenerrarr 2NaH +O2

NaH potom může byacutet peletizovaacuten tyto pelety se pokryacutevajiacute vodě-odolnyacutem plastem nebo povlakem Sodiacutek se tak staacutevaacute neaktivniacutem a lze ho potom jednoduše transportovat Pro uvolněniacute vodiacuteku je ochrannyacute povlak rozrušovaacuten a naacutesleduje reakce s vodou

NaH (s)+ H2O(l)rarr NaOH (l)+ H2 (g) Tato reakce probiacutehaacute poměrně rapidně a vodiacutek z teacuteto reakce maacute tlak kolem 8-10 bar Hydroxid sodnyacute lze ziacuteskat zpět a může byacutet opětovně použiacutevaacuten v procesu Vyacutehoda tohoto uchovaacutevaacuteniacute vodiacuteku oproti ostatniacutem hydridům je absence potřeby tepla pro uvolněniacute vodiacuteku Tento proces je relativně jednoduchyacute a z toho plyne i jednoduššiacute konstrukce takoveacuteho procesniacuteho zařiacutezeniacute Nevyacutehodou tohoto procesu jsou komplikace spojeneacute s mechanickyacutem rozrušovaacuteniacutem pelet kontrolovanyacutem způsobem a naacutesledneacute využitiacute odpadniacutech materiaacutelů kteryacute obklopuje odpadniacute hydroxid sodnyacute a použiteacute plastoveacute obaly pelet Proces využiacutevajiacuteciacute kombinaci generovaacuteniacute vodiacuteku a skladovaacuteniacute pro jednoraacutezoveacute použitiacute Stejně jako u elektrolyacutezy je vodiacutek

44

v hydridu sodneacutem nositel energie ne však jejiacute zdroj Hydroxid sodnyacute se nachaacuteziacute v niacutezkeacutem energetickeacutem stavu a musiacute byacutet přenesen do vyššiacuteho stavu pomociacute dodaacuteniacute tepelneacute energie

34 Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku

V současnosti se se zkoumajiacute dalšiacute skladovaciacute metody vodiacuteku jako je adsorpce na uhliacutekovyacutech poreacutezniacutech strukturaacutech skleněneacute mikrosfeacuterya oxidačniacute technologie železa Tyto metody jsou použiacutevaacuteny pouze laboratorněa jejich nasazeniacute do komerčniacute sfeacutery ještě nelze v bliacutezkeacute budoucnosti očekaacutevat

341 Uhliacutekovaacute adsorpce

Uhliacutekovaacute adsorpce je založena na slučitelnosti uhliacuteku a vodiacutekovyacutech atomů Vodiacutek je čerpaacuten do kontejnerů se substraacutetem malyacutech karbonovyacutech čaacutestic kde je vaacutezaacuten molekulaacuterniacutemi silami Tato metoda silně připomiacutenaacute metodu skladovaacuteniacute v hydridech kovů je ovšem zdokonalena v oblasti niacutezkyacutech teplot kde se uvažuje rozdiacutel mezi tekutyacutem vodiacutekem a chemickou vazbou Uhliacutek adsorbuje při teplotaacutech -185 až -85 degC a tlaciacutech 21 až 48 bar Velikost adsorpce uhliacutekem se zvyšuje s nižšiacutemi teplotami Teplo při překročeniacute teplotniacute hranice 150degC uvolňuje vodiacutek

342 Technologie uhliacutekovyacutech nanovlaacuteken

Laboratorniacute vyacutesledky ukazujiacute tuto metodu jako velmi nadějnou pro budouciacute použitiacute Vodiacutek uskladněnyacute ve sloučenině může dosaacutehnout až 70 celkoveacute vaacutehy sloučeniny Typickeacute hydridy kovů jsou schopny přijmout 2-4 vaacutehy sloučeninyv hmotnostně těžkeacute struktuře Pokud by tyto vyacutesledky byly reaacutelně prokaacutezaacuteny potom vozidla použiacutevajiacuteciacute vodiacutekoveacute palivoveacute člaacutenky budou schopny ujet až 5000 km bez potřeby doplněniacute paliva Tiacutem by se vyřešil probleacutem chybějiacuteciacute infrastruktury distribuce vodiacuteku Takoveacute palivo by se mohlo skladovat ve skladištiacutech nebo posiacutelat prostřednictviacutem přepravniacutech služeb

343 Skleněneacute mikrosfeacutery Systeacutemy skleněnyacutech mikrosfeacuter použiacutevajiacute maleacute skleněneacute sfeacutery (kuličky)s průměrem menšiacutem než 100 microm jež jsou schopny odolat tlakům až 1 000 MPa Vodiacutek je do nich nuceně vhaacuteněn velmi vysokyacutemi tlaky Jakmile je vodiacutek uskladněn kuličky je možno ponechat v podmiacutenkaacutech okolniacuteho prostřediacute bez ztraacutet vodiacuteku Přivedeniacute nevelkeacuteho množstviacute tepelneacute energie se uvolňuje vodiacutek zpět Pro zajištěniacute zvyacutešeniacute rychlosti uvolňovaacuteniacute vodiacuteku ze skleněnyacutech mikrosfeacuter se provaacutediacute experimenty i formou drceniacute kuliček [12]

344 Oxidace železa

Oxidace železa je proces při ktereacutem se vodiacutek vytvaacuteřiacute reakciacute poacuteroviteacuteho železa (surovaacute ingredience pro ocelaacuteřskeacute pece) s vodniacute paacuterou Reakce potom lze popsat naacutesledujiacuteciacutem rovnicemi

Fe+ H2Oharr FeO + H2

45

3FeO + H2Oharr Fe3O4 + H2

Vedlejšiacutem produktem tohoto procesu je rez Jakmile železo plně zkoroduje je potřeba ho vyměnit za noveacute Produkty reakce jsou přeměněny na původniacute formu Paacuteru a tepelnou energii potřebnou pro průběh reakce lze ziacuteskaacutevat pomociacute spalovaciacute jednotky nebo v přiacutepadě palivovyacutech člaacutenků z jejich chladiacuteciacuteho okruhu (meacutedia) Ačkoliv je ocel levnaacute jejiacute hmotnost činiacute tuto metodu nevyacutehodnou Efektivniacute hmotnost paliva vůči celkoveacute hmotnosti systeacutemu uskladněniacute je 45 Vlastniacute reakce probiacutehaacute při teplotě 80 - 200 degC

46

4Palivoveacute člaacutenky

Za objevitele principu palivoveacuteho člaacutenku je považovaacuten Sir William Grove přičemž datum objevu se datuje do roku 1839 Během konce 19 a počaacutetku 20 stoletiacute se vědci pokoušeli objevit noveacute typy palivovyacutech člaacutenků kombinujiacutece přitom různaacute paliva a elektrolyty Avšak většinou bezvyacutesledně Rozvoj v teacuteto oblasti nastal až kolem poloviny 20 stoletiacute v důsledku snah najiacutet alternativniacute zdroje pro vesmiacuterneacute lety Gemini a Apollo Ale i tyto pokusy byly zpočaacutetku neuacutespěšneacute Až roku 1959 předvedl Francis T Bacon prvniacute plně fungujiacuteciacute palivovyacute člaacutenek Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (PEM FC ndash Proton Exchange Membrane Fuel Cells) byly poprveacute použity společnostiacute NASA v roce 1960 jako součaacutest vesmiacuterneacuteho programu Gemini Tyto palivoveacute člaacutenky využiacutevaly jako reakčniacute plyny čistyacute kysliacutek a čistyacute vodiacutek Byly maleacute a draheacute (a tedy komerčně neefektivniacute) Zaacutejem NASA stejně jako energetickaacute krize v roce 1973 zvyacutešili zaacutejem o alternativniacute druhy ziacuteskaacutevaacuteniacute energie a tiacutem došlo k překotneacutemu vyacutevoji v oblasti palivovyacutech člaacutenků Předevšiacutem diacuteky tomuto tlaku našly tyto člaacutenky uacutespěšneacute uplatněniacute v různorodyacutech aplikaciacutech

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků Palivoveacute člaacutenky zpracovaacutevajiacute pouze čistyacute vodiacutek Teoreticky pracujiacute bez škodlivyacutech laacutetek Produktem reakce jsou kromě elektrickeacute energie takeacute vodaa teplo V přiacutepadě že palivoveacute člaacutenky využiacutevajiacute plynnou reformačniacute směs bohatou na vodiacutek vznikajiacute škodliveacute zplodiny avšak těchto zplodin je meacuteně než těch ktereacute vznikajiacute v přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem využiacutevajiacuteciacutech jako zdroj energie konvenčniacute fosilniacute paliva Motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem ktereacute spalujiacute směsi chudeacute na vodiacutek a vzduch jsou rovněž schopneacute dosaacutehnout niacutezkeacute hladiny škodlivin avšak u těchto strojů dochaacuteziacute současně ke spalovaacuteniacute mazaciacuteho oleje což maacute za naacutesledek naacuterůst škodlivyacutech emisiacute Palivoveacute člaacutenky pracujiacute s vyššiacute termodynamickou uacutečinnostiacute než tepelneacute motory Tepelneacute motory přeměňujiacute chemickou energii na teplo prostřednictviacutem spalovaacuteniacute a využiacutevajiacute toho že teplo konaacute praacuteci Se zvyacutešeniacutem teploty horkeacuteho plynu vstupujiacuteciacuteho do motoru a se sniacuteženiacutem teploty chladneacuteho plynu po expanzi se zvyacutešiacute i termodynamickaacute uacutečinnost Teoreticky lze tedy navyacutešit horniacute teplotu libovolnyacutem množstviacutem tepla dle požadovaneacute termodynamickeacute uacutečinnosti zatiacutemco dolniacute hranice teploty nemůže nikdy klesnout pod teplotu okoliacute Avšak ve skutečnyacutech tepelnyacutech motorech je horniacute teplota limitovaacutena použityacutemi materiaacutely Kromě toho motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem majiacute vstupniacute teplotu rovnu pracovniacute teplotě kteraacute je mnohem nižšiacute než teplota vzplanutiacute Palivoveacute člaacutenky nepoužiacutevajiacute proces spalovaacuteniacute jejich uacutečinnost neniacute spjata s jejich maximaacutelniacute provozniacute teplotou Vyacutesledkem je že uacutečinnost přeměny energie může byacutet vyacuterazně většiacute než skutečnaacute reakce spalovaacuteniacute Kromě vyššiacute relativniacute tepelneacute uacutečinnosti palivoveacute člaacutenky vykazujiacute takeacute vyššiacute uacutečinnost oproti tepelnyacutem motorům při jejich čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky nevykazujiacute ostreacute propady v uacutečinnosti jak je tomu v přiacutepadě velkyacutech elektraacuteren Tepelneacute motory dosahujiacute nejvyššiacute uacutečinnosti při praacuteci v navrhovaneacutem provozniacutem stavu a vykazujiacute rapidniacute poklesy uacutečinnosti při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky majiacute vyššiacute uacutečinnost při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute než při zatiacuteženiacute plneacutem Takeacute změny uacutečinnosti jsou v celeacutem provozniacutem rozsahu menšiacute Palivoveacute člaacutenky vykazujiacute dobreacute dynamickeacute charakteristiky Stejně jako baterie jsou takeacute palivoveacute člaacutenky pevnaacute statickaacute zařiacutezeniacute kteraacute reagujiacute na změny v elektrickeacute

47

zaacutetěži okamžitě změnami chemickyacutemi Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute na čistyacute vodiacutek majiacute vynikajiacuteciacute celkovou odezvu Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute s reformaacutetem (nejčastěji palivo na baacutezi uhlovodiacuteků) a využiacutevajiacute palubniacute reformer mohou miacutet tuto odezvu pomalou zvlaacuteště při použitiacute techniky parniacuteho reformingu (metoda zpracovaacuteniacute reformaacutetu nejčastěji za vzniku vodiacuteku a oxidů uhliacuteku) V přiacutepadě použitiacute palivovyacutech člaacutenků jako generaacutetorů elektrickeacute energie vyžadujiacute tyto člaacutenky meacuteně energetickyacutech přeměn než tepelneacute motory Jestliže budou použity jako zdroje mechanickeacute energie potom požadujiacute stejneacute množstviacute přeměn ačkoliv jednotliveacute transformace se odlišujiacute od těch jež probiacutehajiacute v přiacutepadě tepelnyacutech motorů Palivoveacute člaacutenky jsou vhodneacute pro mobilniacute aplikace pracujiacuteciacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech (typickeacute jsou teploty nižšiacute než 100 degC) Provoz při nižšiacutech teplotaacutech se vyznačuje většiacute bezpečnostiacute a kraacutetkyacutem zahřiacutevaciacutem časem Naviacutec termodynamickaacute uacutečinnost elektrochemickeacute reakce je podstatně vyššiacute než uacutečinnost přeměny energie chemickyacutech vazeb na energii elektrickou pomociacute tepelnyacutech motorů Nevyacutehodou se však jeviacute obtiacutežnyacute odvod odpadniacuteho tepla kteryacute musiacute byacutet zajištěn většiacutem chladiacuteciacutem systeacutemem a i přes vysokeacute provozniacute teploty pomalyacute proces elektrochemickeacute reakce Palivoveacute člaacutenky mohou byacutet použity v kogeneračniacutech aplikaciacutech Kromě elektrickeacute energie produkujiacute palivoveacute člaacutenky takeacute čistou horkou vodu a teplo Palivoveacute člaacutenky nevyžadujiacute dobiacutejeniacute avšak musiacute mu byacutet dodaacutevaacuteno palivo což je ovšem mnohem rychlejšiacute než dobiacutejeniacute bateriiacute Mohou takeacute poskytovat většiacute rozsah (delšiacute doba poskytovaacuteniacute elektrickeacute energie) v zaacutevislosti na velikost naacutedrže s palivem a oxidantem Palivoveacute člaacutenky majiacute niacutezkeacute opotřebeniacute a vysokou životnost (někteřiacute vyacuterobci udaacutevajiacute až desetitisiacutece hodin) Nejsou přiacutetomny pohybliveacute čaacutesti z čehož vyplyacutevaacute tichyacute chod palivovyacutech člaacutenků a schopnost snaacutešet i značnaacute přetiacuteženiacute Proti klasickyacutem elektrochem akumulaacutetorům použiacutevanyacutem v současnyacutech elektromobilech majiacute palivoveacute člaacutenky vyššiacute dojezdovou vzdaacutelenost Vyřazeneacute palivoveacute člaacutenky na rozdiacutel od akumulaacutetorů nezatěžujiacute životniacute prostřediacute těžkyacutemi kovy

42 Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků

Vodiacutek kteryacute je ekologicky prospěšnyacute se velmi obtiacutežně vyraacutebiacute a uskladňuje Současneacute vyacuterobniacute procesy jsou draheacute a energeticky naacuteročneacute naviacutec často vychaacutezejiacute z fosilniacutech paliv Efektivniacute infrastruktura dodaacutevky vodiacuteku nebyla ještě ani vytvořena Systeacutemy uskladňujiacuteciacute plynnyacute vodiacutek se vyznačujiacute obrovskyacutemi rozměry a obtiacutežnyacutem přizpůsobeniacutem energeticky niacutezkeacute objemoveacute hustotě vodiacuteku Systeacutemy uskladňujiacuteciacute tekutyacute vodiacutek jsou mnohem menšiacute a lehčiacute ovšem musiacute byacutet provozovaacuteny za kryogenniacutech teplot Možnost představuje takeacute uskladněniacute vodiacuteku pomociacute uhlovodiacuteků a alkoholů odkud může byacutet uvolňovaacuten dle požadavku diacuteky palubniacutemu reformeru Je pravdou že toto uskladněniacute manipulaci s vodiacutekem zjednodušiacute avšak některeacute ekologickeacute vyacutehody budou nenaacutevratně ztraceny (praacutevě diacuteky využitiacute uhlovodiacuteků či alkoholů a s tiacutem souvisejiacuteciacute emise COx) Palivoveacute člaacutenky požadujiacute čisteacute palivo bez specifickyacutech znečišťujiacuteciacutech laacutetek Tyto laacutetky jako jsou siacutera a uhliacutekoveacute sloučeniny či zbytkovaacute tekutaacute paliva (v zaacutevislosti na typu palivoveacuteho člaacutenku) mohou poškodit katalyzaacutetor palivoveacuteho člaacutenku čiacutemž přestaacutevaacute samotnyacute člaacutenek fungovat V přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem nezpomaluje ani jedna z těchto škodlivyacutech laacutetek samotnyacute proces spalovaacuteniacute

48

Palivoveacute člaacutenky se hodiacute pro automobiloveacute aplikace Ty jsou typickeacute svyacutem požadavkem platinoveacuteho katalyzaacutetoru pro podporu reakce při ktereacute se vyraacutebiacute elektrickaacute energie Platina je vzaacutecnyacute kov a je velmi drahaacute Za diacutelčiacute nevyacutehody lze poklaacutedat i skutečnost že vyacutekon odebiacuteranyacute z 1 cm2 elektrod je zatiacutem niacutezkyacute Palivoveacute člaacutenky produkujiacute v průběhu vyacuteroby elektrickeacute energie čistou vodu Většina palivovyacutech člaacutenků vhodnyacutech pro automobiloveacute aplikace takeacute využiacutevaacute jako reaktanty vlhkeacute plyny I nepatrnaacute zbytkovaacute voda v palivoveacutem člaacutenku může přitom způsobit nevratnou zničujiacuteciacute expanzi v přiacutepadě vystaveniacute mrazu Při provozu vyraacutebějiacute palivoveacute člaacutenky dostatečneacute teplo zabraňujiacuteciacute mrznutiacute při okolniacutech teplotaacutech pod bodem mrazu V přiacutepadě že jsou za mraziveacuteho počasiacute palivoveacute člaacutenky vypnuty musiacute byacutet trvale vyhřiacutevaacuteny či z nich musiacute byacutet kompletně odstraněna zbytkovaacute voda před tiacutem než člaacutenek zmrzne Z tohoto důvodu musiacute byacutet dopravniacute prostředek převezen do zahřiacutevaciacuteho zařiacutezeniacute nebo je nezbytně nutneacute instalovat v jeho bliacutezkosti horkovzdušneacute ohřiacutevaciacute zařiacutezeniacute Palivoveacute člaacutenky vyžadujiacute kontinuaacutelniacute odstraňovaniacute zplodin chemickyacutech reakciacute jejichž množstviacute zaacutevisiacute na velikosti odebiacuteraneacuteho proudu (odčerpaacutevaacuteniacute vody vodniacute paacutery či produktů oxidace) vyžadujiacute takeacute složiteacute řiacutediacuteciacute systeacutemy a uvedeniacute do provozu může trvat několik minut

43 Princip funkce palivovyacutech člaacutenků

Palivovyacute člaacutenek je ve sveacute podstatě zařiacutezeniacute ktereacute produkuje elektřinu po celou dobu kdy je mu dodaacutevaacuteno palivo V palivoveacutem člaacutenku dochaacuteziacute ke transformaci uloženeacute chemickeacute energie paliva do elektrickeacute energie Rozdiacutel mezi spalovaciacutem motorem a palivovyacutem člaacutenkem je daacuten rozdiacutelnyacutem způsobem přeměny energie Ve spalovaciacutem motoru dochaacuteziacute ke spaacuteleniacute paliva naacutesledneacutemu uvolněniacute tepla Teplo je daacutele přeměněno na mechanickou energii a teprve mechanickaacute energie je přeměněna na energii elektrickou Každaacute přeměna v tomto cyklu maacute za naacutesledek určitou ztraacutetu energie V kontrastu s tiacutemto cyklem palivoveacute člaacutenky fungujiacute velmi jednoduše a efektivně K produkci elektřiny dochaacuteziacute pomociacute chemickeacute reakce V jednoducheacutem palivoveacutem člaacutenku probiacutehajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 rarr 2H + + 2eminus

12O2 + 2H

+ + 2eminus rarr H2O

Protony prochaacuteziacute elektrolytem a na katodě se spojiacute s kysliacutekem nejčastěji vzdušnyacutem a utvořiacute tak vodu Elektrony jsou směrovaacuteny externiacutem okruhem kde vytvaacuteřejiacute stejnosměrneacute proud Tyto zařiacutezeniacute mohou dosaacutehnout uacutečinnost až 40 Palivoveacute člaacutenky jsou schopny pracovat nejen s čistyacutem vodiacutekem ale takeacute s reformovanyacutemi palivy jako je metan jelikož v nich neniacute oxid uhličityacute Vyacutekon systeacutemu palivovyacutech člaacutenků může byacutet popsaacuten zaacutevislostiacute proudu a napětiacute Je prezentovaacuten ve formě grafu nazvanyacutem proud-napěťovaacute křivka Vyacutestupniacute napětiacute je funkciacute proudu normalizovaneacute plochou člaacutenku udaacutevajiacuteciacute proudovou hustotu Ideaacutelniacute palivovyacute člaacutenek by dodal jakeacutekoliv množstviacute proudu při udrženiacute konstantniacuteho napětiacute určeneacuteho termodynamikou procesu V opravdoveacutem světě je skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute nižšiacute než termodynamicky určeneacute napětiacute ideaacutelniacute tento rozdiacutel je způsoben nevyhnutelnyacutemi ztraacutetami v systeacutemu Ztraacutety jsou kompenzovaacuteny dodaniacutem vyššiacuteho proudu palivovyacutem člaacutenkem

49

Čiacutem většiacute množstviacute proudu je potřeba ziacuteskat z palivovyacutech člaacutenků tiacutem většiacute jsou nevratneacute ztraacutety způsobujiacuteciacute pokles vyacutestupniacuteho napětiacute Existujiacute 3 hlavniacute typy ztraacutet v palivovyacutech člaacutenciacutech

1 Aktivačniacute ztraacutety - v důsledku elektrochemickeacute reakce2 Odporoveacute ztraacutety - v důsledku iontoveacuteho a elektronoveacuteho vedeniacute3 Koncentračniacute ztraacutety - v důsledku pohybu hmoty

Vyacutestupniacute napětiacute je tedy funkciacute termodynamicky předpoklaacutedaneacuteho napětiacute a jednotlivyacutech zraacutet a může byacutet vyjaacutedřeno naacutesledovně

V = Ethermo minusηakt minusηodp minusηkonc

kde V - skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute Ethermo - termodynamicky určeneacute napětiacute ηakt - aktivačniacute ztraacutety ηodp - odporoveacute ztraacutety ηkonc - koncentračniacute ztraacutety Vyacutekon palivoveacuteho člaacutenku je pak určen podle vztahu

P = i sdotVkde P - vyacutekon [W] i - proudovaacute hustota [Acm2] V - napětiacute [V] Dalšiacute charakteristikou palivoveacuteho člaacutenku je křivka vyacutekonoveacute hustoty kteraacute ukazuje vyacutekonovou hustotu dodanou palivovyacutem člaacutenkem jako funkci proudoveacute hustoty Schematicky je tato zaacutevislost znaacutezorněna na obraacutezku 18

Obr 18 Křivka vyacutekonoveacute hustoty [8]

Vyacutekonovaacute hustota palivoveacuteho člaacutenku roste s rostouciacute proudovou hustotou dosaacutehne maxima a poteacute dochaacuteziacute k poklesu při staacutele vysokeacute proudoveacute hustotě Palivoveacute člaacutenky jsou navrhovaacuteny pro praacuteci v nebo těsně pod maximem vyacutekonoveacute hustoty Při proudoveacute hustotě pod maximem vyacutekonoveacute hustoty se zlepšuje uacutečinnost

50

napětiacute ale klesaacute vyacutekonovaacute hustota Při proudoveacute hustotě vyššiacute než je maximum vyacutekonoveacute hustotě klesaacute uacutečinnost napětiacute a vyacutekonovaacute hustota Potenciaacutel systeacutemu vykonaacutevat elektrickou praacuteci je měřen pomociacute napětiacute normaacutelniacuteho stavu vratneacuteho napětiacute je

E0 = minus Δgrxn0

n sdotFkde Δg0rxn je změna Gibssovy volneacute energie n počet molů přenesenyacutech elektronů F Faradayova konstanta Při standardniacutech podmiacutenkaacutech je maximaacutelniacute napětiacute ziacuteskaneacute pro vodiacuteko-kysliacutekoveacute palivo rovnu 123 V Pro ziacuteskaacuteniacute použitelneacuteho napětiacute jsou tak palivoveacute člaacutenky spojovaacuteny do seacuteriiacute Vratneacute napětiacute palivoveacuteho člaacutenku vysoce na provozniacutech podmiacutenkaacutech jako je teplota tlak a chemickaacute aktivita Korelace napětiacute a teploty je reprezentovaacutena naacutesledujiacuteciacute rovniciacute

dEdT

= Δsn sdotF

kde Δs je změna entropie pro palivoveacute člaacutenky je entropie negativniacute vratneacute napětiacute maacute potom tendenci klesat s rostouciacute teplotou Napětiacute se měniacute se změnou tlaku podle vztahu

dEdp

= minus Δvn sdotF

kde Δv je změna objemu Změna vratneacuteho napětiacute s tlakem je spojena se změnou objemu reakce Pokud je změna objemu reakce zaacutepornaacute potom napětiacute roste s rostouciacutem tlakem Tlak a teplota majiacute minimaacutelniacute vliv na vratneacute napětiacute Chemickaacute aktivita maacute vyacuteznamnějšiacute vliv kteryacute se daacute určit pomociacute Nernstovi rovnice

E = E0 minus R sdotTn sdotF

lnaprodviprodareakviprod

Nernstova rovnice uvaacutediacute vztah mezi ideaacutelniacutem standardniacutem potenciaacutelem E0

pro reakci ve člaacutenku ideaacutelniacute rovnovaacutehou potenciaacutelu E při jinyacutech teplotaacutech a parciaacutelniacutem tlaku reaktantů a produktu Jakmile je znaacutem ideaacutelniacute standardniacute potenciaacutel lze určit i ideaacutelniacute napětiacute pro různeacute teploty a tlaky podle Nernstovi rovnice Z teacuteto rovnice pro vodiacutekovou reakci plyne že ideaacutelniacute potenciaacutel člaacutenku při daneacute teplotě může byacutet zvyacutešen pomociacute provozu za vyššiacuteho tlaku reaktantů Nernstova rovnice plně nevysvětluje vliv teploty

44 Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků

Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je funkce napětiacute člaacutenku Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je

ε termo =ΔGΔH

kde ΔG je Gibbsova volnaacute energie ΔH je entalpie Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku určena z tohoto vztahu se rovnaacute 83 Skutečneacute napětiacute při provozu palivoveacuteho člaacutenku je menšiacute než reversibilniacute potenciaacutel to maacute za naacutesledek že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vždy nižšiacute než teoretickaacute Tento jev je způsoben ztraacutetami při využitiacute paliva a ztraacutetami napětiacute Skutečnou uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku můžeme určit ze vztahu

51

ε skut = ε termo sdotεnapeti sdotε palivo

kde εtermo je reversibilniacute termodynamickaacute uacutečinnost člaacutenku εnapeti je uacutečinnost napětiacute a εpalivo ztraacutety při utilizaci paliva Uacutečinnost napětiacute zahrnuje ztraacutety způsobeny nevratnyacutem kinetickyacutem efektem v palivoveacutem člaacutenku Je to poměr mezi provozniacutem napětiacute palivoveacuteho člaacutenku V a termodynamickeacuteho reversibilniacuteho napětiacute člaacutenku E

εnapeti =VE

Uacutečinnost utilizace paliva vyjadřuje fakt že ne všechno palivo dodaneacute do člaacutenku se bude podiacutelet na elektrochemickeacute reakci Uacutečinnost je poměr paliva použiteacuteho na produkci daneacuteho množstviacute elektrickeacute energie ku celkoveacutemu množstviacute paliva dodaneacuteho do palivoveacuteho člaacutenku kde i je proud generovaacuten palivovyacutem člaacutenkem a vpalivo je rychlost dodaacutevaacuteniacute paliva do člaacutenku [molsec]

ε palivo =i n sdotFvpalivo

Kombinaciacute vztahů pro jednotliveacute uacutečinnosti dostaneme naacutesledujiacuteciacute vztah pro skutečnou uacutečinnost člaacutenku

ε skut =Δg

ΔhHHVsdotVEsdot i n sdotFvpalivo

Na obraacutezku 19 je porovnaacuteniacute uacutečinnostiacute jednotlivyacutech metod vyacuteroby elektrickeacute energie Z obraacutezku je jasně patrneacute že celkovaacute uacutečinnost palivovyacutech člaacutenku převyšuje ostatniacute způsoby vyacuteroby elektrickeacute energie

Obr 19 Uacutečinnost vyacuteroby elektrickeacute energie [8]

52

45Typy palivovyacutech člaacutenků

Jednotliveacute typy palivovyacutech člaacutenků se lišiacute předevšiacutem typem použiteacuteho elektrolytu Typ elektrolytu určuje provozniacute teplotu jež se pro různeacute typy palivovyacutech člaacutenků vyacuterazně lišiacute

451 Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech vyššiacutech než 600 degC (1100degF) Tyto vysokeacute teploty umožňujiacute samovolnyacute vnitřniacute reforming lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv jako je metan ndash na vodiacutek a uhliacutek za přiacutetomnosti vody Reakce probiacutehajiacuteciacute na anodě za podpory nikloveacuteho katalyzaacutetoru poskytuje dostatek tepla požadovaneacuteho pro proces parniacuteho reformingu Vnitřniacute reforming odstraňuje potřebu samostatneacuteho zařiacutezeniacute na zpracovaacuteniacute paliva a umožňuje palivoveacutemu člaacutenku zpracovaacutevat i jinaacute paliva než čistyacute vodiacutek Tyto vyacuteznamneacute vyacutehody vedou k naacuterůstu celkoveacute uacutečinnosti teacuteměř o 15 Během naacutesledujiacuteciacute elektrochemickeacute reakce je uvolňovaacutena chemickaacute energie kterou palivovyacute člaacutenek zpracovaacutevaacute Tato chemickaacute energie pochaacuteziacute z reakce mezi vodiacutekem a kysliacutekem při ktereacute vznikaacute voda Z reakce mezi oxidem uhelnatyacutem a kysliacutekem jejiacutemž produktem je oxid uhličityacute Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky produkujiacute takeacute vysokopotenciaacutelniacute odpadniacute teplo jež může byacutet použito pro uacutečely kogenerace Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky reagujiacute velmi snadno a bez potřeby drahyacutech katalyzaacutetorů z ušlechtilyacutech kovů Množstviacute energie uvolněneacute elektrochemickou reakciacute klesaacute s rostouciacute provozniacute teplotou člaacutenku Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky jsou naacutechylneacute na materiaacuteloveacute poruchy Maleacute množstviacute materiaacutelu je schopno po dlouho dobu při vysokyacutech teplotaacutech pracovat bez degradace Vysokoteplotniacute provoz neniacute vhodnyacute pro rozsaacutehleacute vyacuteroby nebo pro aplikace kde je požadovaacuten rychlyacute start zařiacutezeniacute Současneacute aplikace teacuteto metody se zaměřujiacute na stacionaacuterniacute elektraacuterenskeacute zdroje Nejvyacuteznamnějšiacutemi vysokoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů tzv MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů využiacutevajiacute elektrolytu kteryacute je schopen přenaacutešet uhličitanoveacute ionty CO3 2- od katody k anodě Elektrolyt se sklaacutedaacute z roztaveneacute směsi uhličitanu lithia a uhličitanu draselneacuteho Směs je udržovaacutena pomociacute kapilaacuterniacutech sil v keramickeacute podpůrneacute mřiacutežce z hlinitanu litneacuteho Při provozniacute teplotě se struktura elektrolytu změniacute na stav podobnyacute pastě kteraacute umožňuje uacuteniky plynů na okrajiacutech člaacutenku Tyto palivoveacute člaacutenky pracujiacute s teplotami okolo 650 degC a tlaky v rozmeziacute relativniacutech hodnot 1 až 10 barů Každyacute člaacutenek je schopen produkovat stejnosměrneacute napětiacute mezi 07 a 1 V Princip fungovaacuteniacute tohoto člaacutenku je na obraacutezku 20

53

Obr 20 Scheacutema člaacutenku MCFC [8]

Palivoveacute člaacutenky na baacutezi tekutyacutech uhličitanů jsou schopneacute provozu při zaacutesobovaacuteniacute jak čistyacutem vodiacutekem tak lehkyacutemi uhlovodiacutekovyacutemi palivy Palivo napřiacuteklad metan je dopraveno na anodu za přiacutetomnosti vody přijme teplo a podstoupiacute reakci parniacuteho reformingu

CH 4 + H2Orarr 3H2 +CO Pokud bude jako palivo použit jinyacute lehkyacute uhlovodiacutek potom se může počet molekul vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho změnit ale produkty reakce jsou v podstatě vždy stejneacute Reakce na anodě molekuly vodiacuteku s uhličitanovyacutem iontem probiacutehaacute bez ohledu na druh použiteacuteho paliva a vypadaacute naacutesledovně

H2 +CO32minus rarr H2O +CO2 + 2e

minus

Reakce probiacutehajiacuteciacute na katodě a to kysliacuteku s oxidem uhličityacutem probiacutehaacute opět bez ohledu na druhu paliva

O2 + 2CO2 + 4eminus rarr 2CO3

2minus

Iont CO3 2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě Dochaacuteziacute k reakci iontu CO3 2- jak s vodiacutekem tak oxidem uhelnatyacutem Elektrony prochaacutezejiacute přes elektrickou zaacutetěž nachaacutezejiacuteciacute se ve vnějšiacute čaacutesti elektrickeacuteho obvodu od anody ke katodě Celkovaacute reakce na člaacutenku je tedy

2H2 +O2 rarr 2H2O Vyacuteslednaacute reakce oxidu uhelnateacuteho ke ktereacute dochaacuteziacute pouze v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Produktem palivoveacuteho člaacutenku bez ohledu na palivo je voda V přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva je kromě vody produktem takeacute oxid uhličityacute Pro zajištěniacute plynulosti zajištěniacute kvality elektrochemickeacute reakce musiacute byacutet oba produkty plynule odvaacuteděny z katody člaacutenku

54

Mezi hlavniacute vyacutehody palivovyacutech člaacutenků s tekutyacutemi uhličitany patřiacute podpora samovolneacuteho vnitřniacuteho reformingu lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv vyacuteroba vysoko-potenciaacutelniacuteho tepla Samotnaacute reakce nepotřebuje katalyzaacutetory z ušlechtilyacutech kovů maacute velmi dobrou kinetiku a uacutečinnost Palivoveacute člaacutenky ovšem takeacute traacutepiacute mnoho nevyacutehod a provozniacutech omezeniacute Je potřeba vyvinou materiaacutely odolneacute vůči korozi při vysokyacutech teplotaacutech s malyacutem součinitelem objemoveacute roztažnosti ktereacute jsou vysoce mechanicky a tepelně odolneacute a jejichž vyacuteroba je technicky možnaacute Koroze je největšiacute probleacutem těchto člaacutenků Koroze způsobuje oxidaci niklu katody a jeho rozpuštěniacute v elektrolytu to může způsobit zhoršeniacute stavu separaacutetoru vysušeniacute či zaplaveniacute elektrod Korozniacute vlivy způsobujiacute pokles vyacutekonu a zkraacuteceniacute životnosti člaacutenku Rozměrovaacute nestaacutelost způsobenaacute objemovou roztažnostiacute může způsobit zničeniacute elektrod ktereacute změniacute povrch aktivniacute oblasti to může miacutet za naacutesledek ztraacutetu kontaktu a vysokyacute odpor mezi jednotlivyacutemi čaacutestmi člaacutenku Tekutyacute elektrolyt přinaacutešiacute probleacutemy s manipulaciacute člaacutenku Největšiacute nevyacutehodou je dlouhaacute doba potřebnaacute k rozběhu tento fakt tyto člaacutenky odsoudil do pozice použiacutevaacuteniacute pouze ve stacionaacuterniacutech aplikaciacutech

4511 Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů SOFC

Palivoveacute člaacutenky použiacutevajiacute elektrolyt schopnyacute veacutest kysliacutekoveacute ionty O-2 od katody k anodě je to opačnyacute směr než u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků jež vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je tvořen z pevnyacutech oxidů ktereacute majiacute podobu keramiky obvykle zirkonia (stabilizovaneacuteho dalšiacutemi oxidy kovů vzaacutecnyacutech zemin jako je ytrium) Člaacutenky jsou sestavovaacuteny postupnyacutem uklaacutedaacuteniacutem různyacutech vrstev materiaacutelu Běžnaacute uspořaacutedaacuteniacute použiacutevajiacute trubicoveacute či plocheacute tvary jednotlivyacutech člaacutenků Tvary ovlivňujiacute povrch člaacutenku a takeacute těsněniacute člaacutenku a to nejen v důsledku průsaku mezi kanaacutelky paliva a oxidantu ale takeacute vlivem elektrickeacuteho zapojeniacute jednotlivyacutech člaacutenků do bloku Pro materiaacutel elektrod mohou byacutet použity kovy typu niklu a kobaltu Palivoveacute člaacutenky SOFC pracujiacute s teplotami okolo 1000degC a relativniacutemi tlaky kolem 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 08 až 10 V

Obr 21 Scheacutema SOFC [18]

55

Palivoveacute člaacutenky mohou stejně jako MCFC člaacutenky pracovat jak s čistyacutem vodiacutekem tak uhlovodiacutekovyacutemi palivy Vstupniacute palivo se potom sklaacutedaacute jak z vodiacuteku tak z oxidu uhelnateacuteho Reakce na anodě jsou naacutesledujiacuteciacute

H2 +Ominus2 rarr H2O + 2eminus

CO +O2minus rarrCO2 + 2eminus

Reakce na katodě 1 2O2 + 2e

minus rarrO2minus

Iont O2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě vlivem chemickeacute přitažlivosti vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho Uvolněneacute elektrony prochaacutezejiacute vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě V tomto přiacutepadě se ionty pohybujiacute od katody k anodě což je opačnyacute pohyb než probiacutehaacute u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků Produkty reakciacute se tedy hromadiacute spiacuteše na anodě než na katodě Po spojeniacute reakciacute na anodě a katodě můžeme psaacutet vyacutesledneacute reakce člaacutenku

H2 +1 2O2 rarr H2OCO +1 2O2 rarrCO2

Palivoveacute člaacutenky SOFC tedy produkujiacute vodu bez ohledu na použiteacute palivo oxid uhličityacute v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet oba druhy reagentů plynule odvaacuteděny z katody Mezi hlavniacute vyacutehody těchto člaacutenků patřiacute opět umožněniacute samovolneacuteho reformingu uhlovodiacutekovyacutech paliv jelikož ionty kysliacuteku prochaacutezejiacute přes elektrolyt leacutepe než ionty vodiacuteku mohou byacutet tyto člaacutenky použity k oxidaci plynneacuteho paliva Dokaacutežiacute pracovat stejně dobře jak se suchyacutemi tak i vlhkyacutemi palivy Majiacute stejně jako MCFC velkou kinetiku reakce a vysokou uacutečinnost V porovnanaacute s MCFC člaacutenky mohou pracovat s vyššiacute proudovou hustotou a pevnyacute elektrolyt umožňuje snadnějšiacute manipulaci a možnost vyacuteroby rozličnyacutech tvarů a uspořaacutedaacuteniacute Nepotřebujiacute katalyzaacutetor z ušlechtilyacutech kovů Hlavniacute nevyacutehody jsou opět spojeny s vyacutevojem vhodnyacutech materiaacutelů Je zde nutnost vyacutevoje vhodnyacutech materiaacutelů ktereacute majiacute požadovanou vodivost jak elektrickou tak tepelnou a ktereacute zachovaacutevajiacute pevneacute skupenstviacute i při vysokyacutech teplotaacutech jsou chemicky slučitelneacute (kompatibilniacute) s ostatniacutemi čaacutestmi člaacutenku jsou rozměrově staacuteleacute majiacute vysokou mechanickou odolnost a jejichž vyacuteroba je dostatečně technicky zvlaacutednuta Mnoho materiaacutelů je možno použiacutet pro vysokeacute teploty aniž by změnily svoje skupenstviacute na jineacute než pevneacute Vybraneacute materiaacutely musiacute byacutet dostatečně husteacute aby zabraacutenily promiacutechaacutevaacuteniacute paliva s oxidačniacutemi plyny a musiacute miacutet dostatečnou podobnost charakteristik tepelnyacutech roztažnostiacute aby nedošlo k jejich štěpeniacute na vrstvy a k jejich praskaacuteniacute během tepelneacuteho cyklu SOFC palivoveacute člaacutenky jsou citliveacute na přiacutetomnost siacutery v palivu kteraacute nesmiacute překročit hodnotu 500 ppm Celkově je ovšem zatiacutem technologie SOFC nedostatečně vyspělaacute

56

452Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute obvykle s teplotami nižšiacutemi než 250 degC Tyto niacutezkeacute teploty neumožňujiacute vnitřniacute reforming paliva v důsledku čehož vyžadujiacute niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky vnějšiacute zdroj vodiacuteku Na druhou stranu vykazujiacute rychlyacute rozběh zařiacutezeniacute a trpiacute menšiacute poruchovostiacute konstrukčniacutech materiaacutelů Jsou takeacute mnohem vhodnějšiacute pro aplikace v dopravě Nejvyacuteznamnějšiacutemi niacutezkoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC alkalickeacute palivoveacute člaacutenky AFC palivoveacute člaacutenky s protonovou membraacutenou PEM FC a palivoveacute člaacutenky s přiacutemyacutem zpracovaacuteniacutem methanolu DMFC

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute s elektrolytem jenž je schopnyacute veacutest hydroxidoveacute ionty od katody k anodě I tento typ se lišiacute od většiny niacutezkoteplotniacutech člaacutenků ktereacute vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je složen z roztaveneacute alkalickeacute směsi hydroxidu draselneacuteho Elektrolyt může byacutet jak pohyblivyacute tak i pevnyacute Palivoveacute člaacutenky s nepohyblivyacutemi elektrolytem použiacutevajiacute tuhyacute elektrolyt jež je udržovaacuten pohromadě pomociacute kapilaacuterniacutech sil uvnitř poreacutezniacute podpůrneacute krystalickeacute mřiacutežky kteraacute je tvořena azbestem Hmota samotnaacute zajišťuje těsněniacute proti uacuteniku plynů na okraji člaacutenku Produkovanaacute voda se odpařuje do proudu zdrojoveacuteho vodiacutekoveacuteho plynu na straně anody kde současně dochaacuteziacute k jejiacute kondenzaci Odpadniacute teplo je odvaacuteděno přes obiacutehajiacuteciacute chladivo Alkalickeacute člaacutenky pracujiacute v rozmeziacute teplot 65 až 220degC a při relativniacutem tlaku okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vytvaacuteřet stejnosměrneacute napětiacute mezi 11 až 12 V Zjednodušeneacute scheacutema je na obraacutezku 22

Obr 22 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [18]

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky musiacute pracovat pouze s čistyacutem vodiacutekem bez přiacuteměsi oxidů uhliacuteku Na anodě se odehraacutevajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 + 2K+ + 2OH minus rarr 2K + 2H2O

2Krarr 2K + + 2eminusReakce na katodě jsou tyto

57

1 2O2 + H2Orarr 2OH

2OH + 2eminus rarr 2OH minus

Hydroxidoveacute ionty OH- prochaacutezejiacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem chemickeacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny obiacutehat vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě Sloučeniacutem anodovyacutech a katodovyacutech reakciacute můžeme napsat celkoveacute reakce pro alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

H2 + 2OHminus rarr 2H2 + 2e

minus

1 2O2 + H2O + 2eminus rarr 2OH minus

Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek produkuje vodu jež se odpařuje do proudu vstupujiacuteciacuteho vodiacuteku (v přiacutepadě systeacutemů s nepohyblivyacutem elektrolytem) či je odvaacuteděna z palivoveacuteho člaacutenku s elektrolytem (u systeacutemů s pohyblivyacutem elektrolytem) Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet tato voda z člaacutenku odvaacuteděna plynule Mezi vyacutehody AFC člaacutenků patřiacute niacutezkaacute provozniacute teplota rychleacute startovaciacute časy (při teplotě rovneacute teplotě okoliacute jsou schopny dodat 50 jmenoviteacuteho vyacutekonu) Člaacutenek je vysoce uacutečinnyacute a spotřebovaacutevaacute minimaacutelniacute množstviacute platinoveacuteho katalyzaacutetoru AFC se vyznačuje malou hmotnostiacute a objemem minimaacutelniacute koroziacute a relativně jednoduchyacutem provozem Mezi nevyacutehody patřiacute potřeba čisteacuteho vodiacuteku jako paliva relativně kraacutetkaacute životnost a potřeba složiteacuteho systeacutemu vodniacuteho hospodaacuteřstviacute Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem tvořenyacutem kapalnou kyselinou fosforečnou je schopen veacutest vodiacutekoveacute ionty (protony) H+ od anody směrem ke katodě Kyselina fosforečnaacute se nachaacuteziacute uvnitř krystalickeacute mřiacutežky tvořeneacute karbidem křemiacuteku (některeacute palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyselin použiacutevajiacute jako elektrolyt kyselinu siacuterovou) PAFC člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech od 150 do 205degC a s relativniacutem tlakem okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 11 V U PAFC člaacutenků reaguje vodiacutek s kysliacutekem Reakci na anodě můžeme popsat naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

Reakce na katodě maacute potom tento tvar1 2O2 + 2e

minus + 2H + rarr H2O Proton vodiacuteku prochaacuteziacute elektrolytem od anody směrem ke katodě na zaacutekladě přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny prochaacutezet vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem v opačneacutem směru Sloučeniacutem anodoveacute a katodoveacute reakce ziacuteskaacuteme obecnou reakci pro člaacutenek kterou můžeme popsat2H2 +O2 rarr 2H2O PAFC člaacutenky produkujiacute voda kteraacute se hromadiacute na katodě Abychom zajistili dostatečnou kvalitu reakce musiacute byacutet produktovaacute voda postupně ze člaacutenku odvaacuteděnaPAFC člaacutenky jsou schopny sneacutest vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho v palivu (až 30) a proto PAFC nepožadujiacute čištěniacute vzduchu jako okysličovadla a reformaacutetoru jako paliva Pracujiacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech i tak jsou tyto teploty o něco vyššiacute než u ostatniacutech niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenciacutech proto produkujiacute odpadniacute teplo o vyššiacutem potenciaacutelu ktereacute může byacutet využito v kogeneračniacutech aplikaciacutech

58

PAFC člaacutenky jsou naacutechylneacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu kteryacute nesmiacute přesaacutehnout 2 Daacutele jsou citliveacute na obsah siacutery v palivu maximaacutelniacute obsah siacutery by neměl překročit 50 ppm Tiacutem že se použiacutevaacute korozivniacute tekutyacute elektrolyt vznikajiacute probleacutemy s koroziacute konstrukčniacutech materiaacutelů PAFC jsou velkeacute a těžkeacute a nejsou schopny samostatneacuteho reformingu uhliacutekovyacutech paliv Je potřeba jednotku před provozem zahřaacutet a musiacute byacutet trvale udržovaacuteny na provozniacute teplotě Noveacute formy palivovyacutech člaacutenků s elektrolytem na baacutezi kyselin využiacutevajiacute pevnyacutech kyselinovyacutech elektrolytů Tyto člaacutenky jsou vyrobeny ze sloučenin typu CsHSO4 pracujiacute s teplotami až do 250 degC a s napětiacutem napraacutezdno (otevřeneacuteho obvodu) 111 V DC Daacutele nabiacutezejiacute vyacutehodu provozu bez vlhkosti při zmiacuterněniacute citlivosti na oxid uhelnatyacute a možnosti samostatneacuteho reformingu metanolu Trpiacute však degradaciacute vlivem obsahu siacutery velikou houževnatostiacute (tvaacuternostiacute) při teplotaacutech nad 125 degC a rozpustnostiacute ve vodě Vyacuterobniacute techniky pro praktickeacute využitiacute nebyly ještě vyvinuty

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami PEM FC

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (nebo teacutež člaacutenky s pevnyacutem polymerem) použiacutevajiacute elektrolyt jenž je schopnyacute veacutest protony H+ od anody ke katodě Elektrolyt je vytvořen z pevneacuteho polymerniacuteho filmu kteryacute se sklaacutedaacute z okyseleneacuteho teflonu Fyzicky je každyacute palivovyacute člaacutenek vytvořen z membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA - Membrane Electrode Assembly) jež se sklaacutedaacute z anody katody elektrolytu a katalyzaacutetorů Všechny čaacutesti jsou umiacutestěny mezi dvěma deskami vyrobenyacutemi z grafitu a označovanyacutemi jako bipolaacuterniacute desky (Flow Field Plates desky s kanaacutelky pro rozvod plynů paliva a okysličovadla) Tyto desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo k jednotlivyacutem stranaacutem membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA) Chladivo se použiacutevaacute k regulaci reakčniacute teploty palivoveacuteho člaacutenku Pro snadnějšiacute regulaci jsou mezi každyacute palivovyacute člaacutenek umiacutestěny chladiacuteciacute desky Tyto chladiacuteciacute desky rozvaacutedějiacute chladivo uvnitř palivoveacuteho člaacutenku za uacutečelem absorpce či dodaacutevky požadovaneacuteho tepla Těsněniacute mezi grafitovyacutemi deskami zajišťuje aby se proud okysličovadla paliva a chladiva uvnitř palivoveacuteho člaacutenku nepromiacutechal Elektrickeacute desky (koncoveacute elektrody člaacutenku) jsou umiacutestěny na uacuteplnyacutech konciacutech do seacuterie řazenyacutech bipolaacuterniacutech desek (Flow Field Plates) Tyto desky se spojujiacute se svorkami ze kteryacutech je ziacuteskaacutevaacutena elektrickaacute energie palivoveacuteho člaacutenku (stacku) V přiacutepadě velkyacutech palivovyacutech člaacutenků musiacute byacutet jednotliveacute desky stlačeny a sešroubovaacuteny dohromady pomociacute tyčiacute či spojeny jinyacutem mechanickyacutem způsobem Elektrody zprostředkovaacutevajiacute přechod mezi deskami s rozvodnyacutemi kanaacutelky a elektrolytem Musiacute umožnit průnik vlhkyacutem plynům poskytnout reakčniacute povrch v miacutestě styku s elektrolytem musiacute byacutet vodiveacute pro volneacute elektrony jež proteacutekajiacute od anody ke katodě a musiacute byacutet zkonstruovaacuteny ze vzaacutejemně slučitelnyacutech materiaacutelů Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute papiacuter s uhliacutekovyacutemi vlaacutekny poněvadž je poreacutezniacute hydrofobniacute (nesmaacutečivyacute) vodivyacute a nekorodujiacuteciacute Materiaacutel elektrod je velmi tenkyacute v důsledku maximalizace (vystupňovaacuteniacute) množstviacute dopravovaneacuteho plynu a vody Katalyzaacutetor se přidaacutevaacute na povrch každeacute elektrody na stranu elektrolytu za uacutečelem naacuterůstu rychlosti průběhu chemickeacute reakce Katalyzaacutetor podporuje chemickou reakci aniž by byl během teacuteto reakce spotřebovaacutevaacuten Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute platina neboť vykazuje vysokou elektro-katalytickou činnost chemickou stabilitu a elektrickou vodivost Platina je velmi drahaacute takže jejiacute množstviacute

59

(znaacutemeacute jako katalyzaacutetoroveacute naacuteklady) ovlivňuje cenu palivoveacuteho člaacutenku Konstrukteacuteři palivovyacutech člaacutenků usilujiacute o minimalizaci množstviacute použiteacute platiny za současneacuteho zachovaacuteniacute vyacutekonu palivoveacuteho člaacutenku Elektrolyt tvořiacute tenkaacute membraacutena z plastoveacuteho filmu jejiacutež tloušťka je obvykle od 50 do 175 microm (mikronů) Tyto membraacuteny se sklaacutedajiacute z fluorem dotovanyacutech siřičitanovyacutech kyselin ktereacute stejně jako teflonoveacute fluoro-uhliacutekoveacute polymery majiacute řetězec končiacuteciacute zbytkem kyseliny siřičiteacute (-SO3-2) Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami použiacutevajiacute totiž kyselyacute elektrolyt stejně jako palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute Všechny kyseleacute pevneacute elektrolyty vyžadujiacute přiacutetomnost molekul vody pro vodivost vodiacutekovyacutech iontů (protonů) poněvadž vodiacutekoveacute ionty se pohybujiacute společně s molekulami vody v průběhu vyacuteměnneacute iontoveacute reakce Podiacutel vody k vodiacutekovyacutem iontům u efektivniacute vodivosti je obvykle okolo 31 Z tohoto důvodu musiacute byacutet plyny v kontaktu s membraacutenou nasyceneacute vodou pro lepšiacute funkci palivoveacuteho člaacutenku Na molekulaacuterniacute uacuterovni maacute polymer trubicovitou strukturu ve ktereacute jsou skupiny siřičitanovyacutech kyselin na vnitřniacutem povrchu trubic Tyto skupiny poskytujiacute hydrofilniacute (majiacute přiacutechylnost k vodě lehce smaacutečitelneacute) potrubiacute pro vedeniacute vody Vnějšiacute čaacutesti trubic jsou z hydrofobniacuteho fluorovaneacuteho materiaacutelu Trubkoviteacute struktury se scvrkaacutevajiacute a přeskupujiacute s poklesy obsahu vody Při stlačovaacuteniacute (zužovaacuteniacute) těchto trubek během dehydratace rapidně klesaacute vodivost což vede k naacuterůstu odporu kontaktu mezi membraacutenou a elektrodou To může veacutest až k prasklinaacutem a diacuteraacutem v membraacuteně Všechny elektrolyty musiacute vykazovat zaacutekladniacute vlastnosti jimiž jsou vodič protonů elektronovyacute izolant (nejsou schopny veacutest elektrony) a separaacutetor plynů Vyacuterobci se takeacute snažiacute produkovat membraacuteny ktereacute majiacute odpoviacutedajiacuteciacute mechanickou pevnost rozměrovou staacutelost (odolnost vůči vybouleniacute) vysokou iontovou vodivost niacutezkou atomovou hmotnost (vaacuteha polymeru vztaženaacute k množstviacute kyselyacutech zbytků) a jsou snadno zhotovitelneacute Do jisteacute miacutery je možneacute mechanickou a rozměrovou staacutelost polymeru zajistit jeho včleněniacutem do membraacutenoveacuteho uskupeniacute jež poskytne podpůrnou strukturu

Obr 23 PEM člaacutenek firmy Horizon zdroj [19]

Bipolaacuterniacute desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo na obou vnějšiacutech stranaacutech membraacutenoveacuteho uskupeniacute Každaacute z těchto desek obsahuje kanaacutelky serpentinoviteacuteho tvaru ktereacute maximalizujiacute kontakt plynu s membraacutenovyacutem uspořaacutedaacuteniacutem Specifickyacute tvar kanaacutelků pro plyn je kritickyacute pro homogenniacute vyacuterobu elektrickeacute energie staacutelyacute vyacutekon člaacutenku a spraacutevnou funkci vodniacuteho hospodaacuteřstviacute člaacutenku Tvary bipolaacuterniacutech desek jsou vyraacuteběny v zaacutevislosti na použitiacute palivovyacutech člaacutenků Každaacute deska musiacute byacutet elektricky

60

vodivaacute Proud vznikajiacuteciacute během elektrochemickeacute reakce může teacuteci z jednoho člaacutenku do druheacuteho až k postranniacutem deskaacutem ze kteryacutech je elektrickaacute energie odebiacuteraacutena do vnějšiacuteho elektrickeacuteho obvodu Desky se obvykle vyraacutebějiacute z grafitu (uhliacuteku) přičemž kanaacutelky jsou vyrobeny technologiiacute obraacuteběniacute nebo lisovaacuteniacute Grafit se upřednostňuje jako materiaacutel pro svou vynikajiacuteciacute vodivost a relativně niacutezkeacute naacuteklady Je potřeba miacutet na paměti zvlhčovaacuteniacute reakčniacutech plynů v palivovyacutech člaacutenciacutech Bez zvlhčeniacute se nedosaacutehne požadovanaacute iontovaacute vodivost a může dojiacutet ke zničeniacute palivoveacuteho člaacutenku Množstviacute vody kteryacute je schopen plyn pojmout je zaacutevisleacute na teplotě při zvlhčovaacuteniacute Ciacutelem zvlhčovaacuteniacute je nasytit reakčniacute plyny co největšiacutem množstviacutem vodniacutech par Plyny jsou zvlhčovaacuteny při provozniacute teplotě palivoveacuteho člaacutenku Při zvlhčovaacuteniacute za vyššiacutech teplot může čaacutest vodniacutech par v palivoveacutem člaacutenku kondenzovat Vnitřniacute (interniacute) zvlhčovače se sklaacutedajiacute z přiacutedavnyacutech seacuteriiacutech grafitovyacutech desek začleněnyacutech do palivoveacuteho člaacutenku Tiacutemto dochaacuteziacute k rozděleniacute bloku palivoveacuteho člaacutenku na aktivniacute čaacutest kteraacute obsahuje palivoveacute člaacutenky a neaktivniacute čaacutest jež obsahuje desky zvlhčovače Desky zvlhčovače jsou obdobneacute bipolaacuterniacutem deskaacutem a využiacutevajiacute se k rozvodu plynu a vody po hydrofilniacute membraacuteně Voda se přemiacutesťuje přes membraacutenu a sytiacute omyacutevajiacuteciacute plyn Membraacuteny tohoto typu jsou již komerčně dostupneacute Vnitřniacute zvlhčovače odebiacuterajiacute vodu přiacutemo z chladiacuteciacuteho okruhu (z proudu chladiacuteciacuteho meacutedia) a vyuacutesťujiacute v jednoduchyacute integrovanyacute systeacutem s dobře propojenyacutemi teplotniacutemi charakteristikami Takoveacute uspořaacutedaacuteniacute předem vylučuje využitiacute jineacuteho chladiacuteciacuteho meacutedia než čisteacute vody Čistaacute voda naviacutec zhoršuje probleacutemy při startu palivoveacuteho člaacutenku neboť při niacutezkyacutech teplotaacutech může dojiacutet k jejiacutemu zamrznutiacute Kromě toho vede zakomponovaacuteniacute zvlhčovače do palivoveacuteho člaacutenku k naacuterůstu rozměrů palivoveacuteho člaacutenku a komplikuje jeho opravy neboť obě čaacutesti musiacute byacutet opravovaacuteny současně Vnějšiacute zvlhčovače se nejčastěji navrhujiacute jako membraacutenoveacute či kontaktniacute Membraacutenoveacute jsou založeny na obdobneacutem principu jako vnitřniacute zvlhčovače avšak jsou umiacutestěny odděleně Kontaktniacute zvlhčovače využiacutevajiacute principu rozprašovaacuteniacute zvlhčovaciacute vody na horkyacute povrch či do komory s velkou povrchovou plochou kterou proteacutekaacute jeden z reagujiacuteciacutech plynů Voda se potom odpařuje přiacutemo do plynu a způsobuje jeho nasyceniacuteVnějšiacute zvlhčovače mohou odebiacuterat vodu z chladiacuteciacuteho okruhu nebo mohou byacutet vybaveny samostatnyacutem vodniacutem okruhem Vyacutehody a nevyacutehody pro přiacutepad odběru vody z okruhu chladiacuteciacuteho meacutedia jsou stejneacute jako u vnitřniacutech zvlhčovačů V přiacutepadě zvlhčovače se samostatnyacutem vodniacutem okruhem může byacutet jako chladivo použito meacutedium s vyššiacutemi niacutezkoteplotniacutemi charakteristikami než maacute voda čiacutemž se však stane vzaacutejemnaacute vazba mezi teplotou zvlhčovače a palivoveacuteho člaacutenku daleko komplikovanějšiacute Bez ohledu na zdroj vody vede využiacutevaacuteniacute vnějšiacuteho zvlhčovače k nutnosti použitiacute samostatnyacutech součaacutestiacute ktereacute jsou pravděpodobně rozměrnějšiacute a takeacute mohutnějšiacute zvlaacuteště v přiacutepadě kontaktniacuteho zvlhčovače PEM člaacutenky pracujiacute s teplotami 70 až 90 degC a relativniacutem tlakem 1 až 2 bary Každyacute člaacutenek je schopnyacute generovat napětiacute okolo 11 V

61

Obr 24 Scheacutema PEM člaacutenku [18] V palivovyacutech člaacutenciacutech typu PEM spolu reagujiacute vodiacutek a kysliacutek Reakce na anodě a anodě probiacutehajiacute naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

1 2O2 + 2eminus + 2H + rarr H2O

Proton H+ prochaacuteziacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem vzaacutejemneacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou využity k oběhu od anody ke katodě přes vnějšiacute elektrickyacute obvod Sloučeniacutem reakciacute na anodě a katodě ziacuteskameacute celkovou reakci pro PEM člaacutenek

H2 +1 2O2 rarr H2O PEM člaacutenky dobře snaacutešiacute vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho jak v palivu tak okysličovadlu proto mohou PEM člaacutenky pracovat se znečištěnyacutem vzduchem jako okysličovadlem a reformaacutetorem jako palivem Tyto člaacutenky pracujiacute s niacutezkyacutemi teplotami což zjednodušuje požadavky na použiteacute materiaacutely umožňuje rychlyacute start a zvyšuje bezpečnost Je použit pevnyacute suchyacute elektrolyt to eliminuje naacuteroky na manipulaci s tekutinami snižuje pohyb elektrolytu a probleacutemy spojeneacute s jeho doplňovaacuteniacutem Elektrolyt neniacute korozivniacute tiacutem samozřejmě klesajiacute probleacutemy s koroziacute materiaacutelů PEM člaacutenky majiacute vysokeacute člaacutenkoveacute napětiacute vysokou proudovou a energetickou hustotu Pracovniacute tlaky jsou relativně niacutezkeacute a člaacutenek je schopen reagovat na proměnnost tlaku bez většiacutech probleacutemů Tvarově jsou PEM člaacutenky jednoducheacute kompaktniacute a mechanicky odolneacute PEM člaacutenky jsou citliveacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu (maximum je 50 ppm) jsou schopneacute sneacutest pouze několik ppm sloučeniny siacutery PEM člaacutenky požadujiacute zvlhčovaacuteniacute reakčniacuteho plynu zvlhčovaacuteniacute je energeticky naacuteročneacute a způsobuje naacuterůst rozměru celeacuteho systeacutemu Použitiacute vody pro zvlhčovaacuteniacute paliva limituje provozniacute teplotu palivoveacuteho člaacutenku na hodnotu nižšiacute než je teplota bodu varu vody čiacutemž se redukuje potenciaacutel využitelnyacute v kogeneračniacutech aplikaciacutech PEM člaacutenky použiacutevajiacute draheacute platinoveacute katalyzaacutetory a draheacute membraacuteny se kteryacutemi se obtiacutežně pracuje

62

46 Systeacutem palivovyacutech člaacutenků

Blok palivoveacuteho člaacutenků je jednotka pro přeměnu energie v systeacutemu palivoveacuteho člaacutenku Zdroj se sklaacutedaacute z množstviacute subsysteacutemů pro řiacutezeniacute a regulaci provozu palivoveacuteho člaacutenku Pomocneacute systeacutemy jsou požadovaacuteny pro systeacutem chlazeniacute člaacutenku dopravu a zvlhčovaacuteniacute reaktantů přenos elektrickeacuteho vyacutekonu člaacutenku monitorovaacuteniacute a řiacutezeniacute provozu popřiacutepadě uskladněniacute paliva a okysličovadla Systeacutemy palivovyacutech člaacutenků majiacute vyššiacute tepelneacute uacutečinnosti zvlaacuteště ty s malyacutemi rozměry či středniacutem zatiacuteženiacutem Praacutevě uacutečinnostniacute charakteristika poskytuje hlavniacute impuls pro současnyacute vyacutevoj palivovyacutech člaacutenků Zdroje s palivovyacutemi člaacutenky jsou schopneacute provozu s reformovanyacutemi fosilniacutemi palivy jakyacutem je metanol či zemniacute plyn Zdokonalenaacute tepelnaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku snižuje objem potřebneacuteho paliva a tiacutem zajišťuje i sniacuteženiacute znečišťovaacuteniacute životniacuteho prostřediacute Konfigurace provozniacute charakteristiky a celkovaacute systeacutemovaacute uacutečinnost zdrojů s palivovyacutemi člaacutenky se určuje předevšiacutem vyacuteběrem vhodneacuteho paliva a okysličovadla Nejefektivnějšiacute konfigurace zdrojů je založena na čistyacutech reaktantech - vodiacuteku a kysliacuteku Avšak pro většinu aplikaciacute je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku a kysliacuteku nepraktickeacute a proto se hledajiacute různeacute alternativy Napřiacuteklad vzduch se obvykle u systeacutemů s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM využiacutevaacute jako okysličovadlo pokud je to možneacute Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je sniacutežena v porovnaacuteniacute s provozem s čistyacutem kysliacutekem a znevyacutehodněniacute je ještě umocněno potřebou stlačovaacuteniacute vzduchu Tato znevyacutehodněniacute jsou takeacute většiacute než kompenzace provedenaacute přemiacutestěniacutem uskladněniacute okysličovadla ven ze zdroje Pro určiteacute aplikace je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku nepraktickeacute v důsledku jeho niacutezkeacute uskladňovaciacute hustoty a nedostatečneacute infrastruktury Tekutaacute paliva jako je metanol nafta a petrolej mohou byacutet reformovaacuteny na plyny bohateacute na vodiacutek ktereacute jsou využity pro provoz palivoveacuteho člaacutenku Zemniacute plyn pokud je dostupnyacute může byacutet takeacute využit v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků Reforming však snižuje celkovou uacutečinnost systeacutemu a zapřiacutečiňuje i naacuterůst rozměrů zdroje

461 Systeacutem vodiacutek vzduch

Suchozemskeacute systeacutemy s palivovyacutemi člaacutenky použiacutevajiacute obvykle jako okysličovadlo stlačenyacute vzduch Jako palivo může byacutet použita jakyacutekoliv z vyacuteše zmiňovanyacutech laacutetek avšak čistyacute vodiacutek je nejjednoduššiacute a nejuacutečinnějšiacute pro tyto podmiacutenky Vodiacutek jako palivo maacute relativně niacutezkou objemovou a hmotnostniacute hustotou uskladněniacute energie ve srovnaacuteniacute s tekutyacutemi palivy jež jsou v současnosti využiacutevaacuteny Kromě toho neniacute zde vybudovaacutena dostatečnaacute infrastruktura pro vstup vodiacuteku na světovyacute trh s energiemi A upřiacutemně v současneacute době relativniacuteho dostatku tekutyacutech paliv potřeba tuto infrastrukturu neniacute přiacuteliš velikaacute Zjednodušeneacute scheacutema zdroje na baacutezi palivovyacutech člaacutenků typu PEM použiacutevajiacuteciacute vodiacutek a vzduch je na obraacutezku 25 Vodiacutek je dopravovaacuten ze zaacutesobniacuteků Vodiacutek je zvlhčen a dodaacutevaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Plynovyacute kompresor tlakuje vodiacutek kteryacute z člaacutenku odchaacuteziacute (poměrnyacute obsah vodiacuteku je přibližně 15) jako přebytek paliva a vraciacute ho zpět do vstupniacute čaacutesti okruhu dodaacutevky paliva Čistota vodiacuteku je jedniacutem z nejdůležitějšiacutech požadavků z toho důvodu musiacute byacutet systeacutem velmi dobře uzavřen V systeacutemu anody je instalovaacuten odvzdušňovaciacute ventil kteryacute sloužiacute k periodickeacutemu odvodu nečistot ktereacute se nachaacutezejiacute ve vodiacutekoveacutem zaacutesobniacuteku Okolniacute vzduch je filtrovaacuten stlačen zvlhčen a dodaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Kondenzaacutetor odvaacutediacute produktovou vodu z vyacutestupu vzduchu rekuperačniacute tepelnyacute

63

vyacuteměniacutek ohřiacutevaacute proud vstupniacuteho vzduchu Popsanyacute systeacutem pracuje obvykle s tlakem okolo 2 barů Uzavřenaacute smyčka chladiacuteciacuteho okruhu je zaměstnaacutevaacutena udržovaacuteniacutem provozniacute teploty člaacutenků okolo 80 degC Kondenzaacutetor produktoveacute vody a zvlhčovač reaktantů se začleňuje do chladiacuteciacuteho systeacutemu V systeacutemu chladiacuteciacute vody je daacutele instalovaacuten deionizačniacute filtr z důvodu udrženiacute hladiny čistoty vody Člaacutenek je dokonale izolovaacuten aby se předešlo průsakům vody ven z člaacutenku a kontaminaci membraacuteny prostřednictviacutem nechtěnyacutech iontů Na elektrickeacutem vyacutestupu palivoveacuteho člaacutenku je neregulovaneacute stejnosměrneacute napětiacute Testovaacuteniacute zaacutetěže by se mělo provaacutedět pravidelně aby byly zajištěny dobreacute elektrickeacute podmiacutenky pro předpoklaacutedanou zaacutetěž

Obr 25 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a vzduchem [8]

462Systeacutem vodiacutek kysliacutek

V aplikaciacutech kde neniacute dostupnyacute vzduch jako je vesmiacuter nebo podmořskeacute prostřediacute může byacutet použit čistyacute vodiacutek kysliacutek jako okysličovadlo Kysliacutek je uskladněn jako stlačenyacute plyn či kryogenniacute tekutina Kysliacutek zabiacuteraacute určityacute objem a hmotnost celkoveacuteho energetickeacuteho systeacutemu Palivoveacute člaacutenky potom vykazujiacute většiacute vyacutekon většiacute napětiacute člaacutenku a celkovou uacutečinnost Odstraněniacute zařiacutezeniacute ke stlačovaacuteniacute vzduchu dochaacuteziacute v systeacutemu k poklesu hlučnosti a parazitickyacutech ztraacutet Obraacutezek 26 znaacutezorňuje typickyacute zdroj s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s čistyacutem vodiacutekem a kysliacutekem Je to v podstatě stejnyacute systeacutem jako v přiacutepadě systeacutemu se vzduchem Toky obou reaktantů jsou cirkulovaacuteny skrz palivovyacute člaacutenek pomociacute kompresorů se opětovně natlakujiacute na provozniacute tlak V přiacutepadě dostupnosti vhodnyacutech dopravniacutech tlaků z uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků reaktantů mohou byacutet kompresory nahrazeny čerpadly čiacutemž dojde k eliminaci parazitniacutech ztraacutet spojenyacutech s cirkulaciacute plynu Systeacutemy těchto palivovyacutech člaacutenků jsou obvykle konstruovaacuteny pro provoz

64

v uzavřeneacutem prostřediacute a mohou byacutet provozovaacuteny jako samostatneacute uzavřeneacute systeacutemy V ideaacutelniacutem přiacutepadě je jedinyacutem hmotnyacutem produktem voda Nečistoty ve vstupniacutem vodiacuteku a kysliacuteku postupně zvyšujiacute svou koncentraci v systeacutemu proto je nezbytneacute pravidelneacute čištěniacute Inertniacute čaacutesti paliva jsou vstřebaacutevaacuteny a odvaacuteděny prostřednictviacutem produktoveacute vody palivoveacuteho člaacutenku Potřeba přiacutedavneacuteho čištěniacute je určena požadavkem čistoty u zařiacutezeniacute na uskladněniacute reaktantů životnostiacute zdroje a provozniacutemi podmiacutenkami systeacutemu

Obr 26 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a kysliacutekem [8]

65

5 Instalace ve světě

V současnosti se spojeniacute větrneacute energie a vyacuteroby vodiacuteku použiacutevaacute velmi maacutelo Tento systeacutem maacute ovšem podle mnoha zdrojů obrovskyacute růstovyacute potenciaacutel Nabiacuteziacute jednu z alternativ pro teacuteměř 16 miliardy lidiacute na světě kteřiacute nemajiacute přiacutestup k elektrickeacute energii Trhy pro ktereacute je tato technologie zajiacutemaveacute již dnes jsou izolovaneacute oblasti vyspělyacutech staacutetů Tyto trhy použiacutevajiacute jako hlavniacute zdroj elektrickeacute energie diesel agregaacutety jsou tudiacutež vysoce zaacutevisleacute na dodaacutevkaacutech ropy Vodniacute elektrolyacuteza je použitelnaacute ve spojeniacute s fotovoltaickou a větrnou energiiacute Existuje dobraacute shoda mezi polarizačniacutemi křivkami obnovitelnyacutech zdrojů a elektrolyzeacuterů a mohou byacutet spojeny bez elektronickeacuteho sledovaacuteniacute vyacutekonovyacutech charakteristik při relativně vysokeacute uacutečinnosti Projekty využiacutevajiacuteciacute spojeniacute větrneacute energie již existujiacute Jeden z pilotniacutech projektů je umiacutestěn na ostrově Unst v severniacute čaacutesti Velkeacute Britaacutenie Ciacutelem tohoto projektu je demonstrovat jak větrnaacute energie spojenaacute s využiacutevaacuteniacutem vodiacuteku je schopna pokryacutet energetickeacute potřeby pěti obchodniacutech jednotek v odlehleacute oblasti Větrnaacute energie na Shetlandech nabiacuteziacute velmi dobreacute možnosti pro jejiacute využitiacute nevyacutehodou větrnyacutech podmiacutenek na tomto ostrově je jejich nepředviacutedatelnaacute povaha Pro zajištěniacute stabilniacuteho a spolehliveacuteho dodaacutevaacuteniacute energie je potřeba zajistit dobreacute řiacutezeniacute toku teacuteto energie a skladovaacuteniacute Elektrickaacute siacuteť je na ostrově ve velmi špatneacutem stavu a neumožňuje připojeniacute dalšiacuteho pevneacute připojeniacute z obnovitelnyacutech zdrojů Každyacute novyacute systeacutem musiacute byacutet připojen nezaacutevisle na siacuteti nebo miacutet zajištěn dostatečnou kapacitu pro uskladněniacute energie z těchto zdrojů Na ostrově jsou umiacutestěny 2 větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 15 kW V čase niacutezkeacuteho odběru obchodniacutech jednotek nebo naopak při vysokeacute produkci je přebytek energie použit v elektrolyzeacuteru kteryacute potřebuje přibližně 2-7 kW denniacute produkce vodiacuteku dosahuje přibližně 2 kg vodiacuteku Vodiacutek je uložen ve vysokotlakyacutech naacutedobaacutech a daacutele použiacutevaacuten jako alternativa fosilniacutech paliv Systeacutem je vybaven zaacuteložniacutem zdrojem obsahuje 5 kW palivoveacute člaacutenky a měnič kteryacute převaacutediacute stejnosměrnyacute proud z elektrolyzeacuteru na proud střiacutedavyacute

Obr 27 Scheacutema systeacutemu instalovaneacuteho v Unstu

66

Prvniacutem miacutestem kde došlo v roce 2004 k instalaci vyacuteznamnějšiacuteho autonomniacuteho systeacutemu využiacutevajiacuteciacuteho větrneacute elektraacuterny pro produkci vodiacuteku a jeho naacutesledneacutemu použitiacute pro vyacuterobu elektrickeacute energie je norskyacute ostrov Utsira V pilotniacutem projektu bylo vybraacuteno 10 domaacutecnostiacute do kteryacutech se dodaacutevaacute elektrickaacute energie vyacutehradně z větrneacute energie Ve větrneacutem počasiacute větrneacute elektraacuterny dodaacutevajiacute elektřinu přiacutemo Když produkce elektřiny přesaacutehne aktuaacutelniacute požadavky domaacutecnostiacute je přebytečnaacute elektřina použita pro produkci vodiacuteku v elektrolyzeacuterech Vodiacutek je daacutele stlačen a uložen do tlakovyacutech naacutedob V přiacutepadě že je viacutetr přiacuteliš slabyacute nebo naopak silnyacute a větrneacute elektraacuterna neniacute schopna dodaacutevat elektrickou energii palivoveacute člaacutenky začnou spotřebovaacutevat uskladněnyacute vodiacutek a dodaacutevat elektrickou energii do domaacutecnostiacute Tento systeacutem je schopen dodaacutevat elektrickou energii domaacutecnostem až po dobu 3 dnů v přiacutepadě nedostupnosti větrneacute energie Utsira je velmi větrnyacutem ostrovem kteryacute se jevil jako ideaacutelniacute miacutesto pro pilotniacute projekt tohoto typu Na ostrově byly instalovaacuteny dvě turbiacuteny Enercon E40 každaacute s kapacitou 600 kW Jedna z turbiacuten produkuje elektřinu přiacutemo do siacutetě zatiacutemco druhaacute je připojena do samostatneacuteho systeacutemu a vyacutekon je sniacutežen na 150 kW aby leacutepe odpoviacutedala poptaacutevce Pro stabilizaci nestabilniacute obnovitelneacute energie se použiacutevaacute setrvačniacutek s kapacitou 5 kWh a 100 kVA hlavniacute synchronniacute motor ktereacute vyrovnaacutevajiacute a ovlaacutedajiacute napětiacute a frekvenci Přebytečnaacute energie je uklaacutedaacutena pomociacute elektrolyzeacuteru firmy Hydrogen Technologies s maximaacutelniacutem zatiacuteženiacutem 48 kW 5 kW kompresoru Hofer a tlakovyacutech naacutedob o objemu 2400 Nm3 při tlaku 200 bar Při nedostatku energie z větru se tato potřebnaacute energie dodaacutevaacute pomociacute 5 IRD palivovyacutech člaacutenků o celkoveacutem vyacutekonu 55 kW

Obr 28 Scheacutema projektu v Utsiře

Projekt byl v provozu nepřetržitě po dobu 4 let viacutece než 50 času byly pro dodaacutevaacuteniacute energie použiacutevaacuteny palivoveacute člaacutenky Kvalita dodaacutevky elektrickeacute energie byla dobraacute nebyly hlaacutešeny žaacutedneacute stiacutežnosti I přes uacutespěšnou demonstraci kvality projektu byly odhaleny vyacutezvy ktereacute je potřeba překonat pro zajištěniacute uacutespěchu teacuteto technologie 20 Utilizace větrneacute energie odhalila potřebu pro vyacutevoj uacutečinnějšiacutech elektrolyzeacuterů stejně tak jako zlepšeniacute uacutečinnosti konverze vodiacuteku na elektřinu Palivoveacute člaacutenky v průběhu provozu trpěly určityacutemi probleacutemy jako byl uacutenik chladiciacute kapaliny ze člaacutenku Palivoveacute člaacutenky trpěly takeacute rapidniacute degradaciacute vydržely sotva 100 hodin provozu Tyto probleacutemy spojeneacute s niacutezkou uacutečinnostiacute konverze vodiacuteku zvyacutešili

67

pravděpodobnost že vodiacutek během klidneacuteho větru může dojiacutet Cena a spolehlivost palivovyacutech člaacutenků se musiacute vylepšit aby byl projekt tohoto typu komerčně uacutespěšnyacute Bylo takeacute doporučeno aby budouciacute projekty zahrnovaly viacutece obnovitelnyacutech zdrojů energie Uacutespěch projektu na ostrově Utsira demonstruje uskutečnitelnost kombinace obnovitelneacuteho zdroje energie a vodiacuteku v odlehlyacutech lokalitaacutech a noveacute možnosti použitiacute elektrolyzeacuterů v budouciacutech energetickyacutech systeacutemech Ekonomicky bude tento projekt daacutevat smysl pouze při dalšiacutem vyacutevoji součaacutestiacute systeacutemu je předpoklad že by tato podmiacutenka mohla byacutet splněna za 5 až 10 let

Obr 29 Projekt kombinujiacuteciacute větrnou energii a vodiacutek na ostrově Utsira [20]

68

6Přiacutepadovaacute studie

61Vyacuteběr lokace

Souhrnnaacute dlouhodobaacute data o větru v jedneacute lokaci je velmi složiteacute ziacuteskat Lokace pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny se vybiacuteraacute podle podrobneacute lokaacutelniacute větrneacute mapy jejiacutemž autorem je v Českeacute republice ČHMUacute Naacutesleduje faacuteze měřeniacute rychlosti větru přiacutemo v miacutestě potenciaacutelniacuteho umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Pravidelneacute měřeniacute směru a siacutely větru provaacutediacute ČHMUacute na svyacutech meteorologickyacutech staniciacutech Profesionaacutelniacutech stanic existuje 38 6 stanic spravuje armaacuteda a dalšiacutech 179 je stanic je dobrovolnickyacutech Vzhledem k uacuteplnosti dat jsem se v praacuteci rozhodl použiacutet data z meteorologickeacute stanice na letišti v Mošnově Stanice je primaacuterně určena pro informovaacuteniacute leteckeacuteho personaacutelu o počasiacute v bliacutezkosti letiště Diacuteky vstřiacutecnosti miacutestniacutech meteorologů jsem ziacuteskal data o rychlosti větru v roce 2006 Stanice je umiacutestěna přiacutemo na letištniacute ploše ve vyacutešce 3 m Samotneacute letiště Mošnov ležiacute v severovyacutechodniacute čaacutesti Českeacute republiky 20 km od města Ostravy Data

jsou umiacutestěna v souboru programu Excel jako přiacuteloha 1 Měřeniacute je provaacuteděno nepřetržitě a je vypočiacutetaacutevaacuten 15 sekundovyacute průměr kteryacute sloužiacute jako informace pro piloty Statisticky se zaznamenaacutevajiacute 3 měřeniacute denně Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny jsou potřebneacute dvě důležiteacute informace a to průměrnaacute rychlost větru vstr a standardniacute odchylka σw Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov vstr= 3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1

62 Větrnaacute turbiacutena

Pro tuto praacuteci bylo vybraacuteno jako vhodneacute řešeniacute použitiacute dvou stejnyacutech relativně menšiacutech větrnyacutech turbiacuten firmy Enercon Jmenovityacute vyacutekon turbiacuteny je 330 kW Pro uchyceniacute trojlisteacuteho rotoru o průměru 33 m je použit 50 m ocelovyacute stožaacuter Elektraacuterna je bezpřevodovkovaacute s proměnlivyacutemi otaacutečkami rotoru ktereacute se mohou pohybovat v rozmeziacute 15-45 otmin Hlavniacute ložiska jsou jednořadaacute kuželiacutekovaacute Enercon dodaacutevaacute vlastniacute generaacutetor Jednaacute se o prstencovyacute generaacutetor kteryacute je přiacutemo pohaněnyacutesynchronniacute s variabilniacute frekvenciacute Elektraacuterna je daacutele vybavena brzdou rotoru aretaciacute rotoru a třemi soběstačnyacutemi systeacutemy nastavovaacuteniacute listů s nouzovyacutem zdrojem Startovaciacute rychlost je 25 ms-1 jmenovitaacute rychlost 12 ms-1 a odpojovaciacute rychlost je 12 ms-1 Tabulka 7 uvaacutediacute hodnoty jmenoviteacuteho vyacutekonu elektraacuterny při danyacutech rychlostech větru

Rychlost větru [ms]

Vyacutekon [kW]

Kapacitniacute faktor [-]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 5 137 30 55 92 138 196 250 293 320 335 335 335 335

0 035 040 045 047 050 05 05 047 041 035 028 023 018 015

Tab 7 Vyacutekonoveacute charakteristiky turbiacuteny E33 [21]

69

Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny se potom určiacute pomociacute vyacutepočtu v programu Mathcad tento vyacutepočet je součaacutestiacute přiacutelohy 2 Pro určeniacute vyacutekonoveacute křivky použijeme tabulku 7 zobrazujiacuteciacute rychlost větru a jemu odpoviacutedajiacuteciacute vyacutekon Data proložiacuteme křivkou spline kteraacute je aproximaciacute tabulkovyacutech hodnot Použijeme funkci cspline kteraacute je v programu Mathcad definovaacutena Vyacuteslednaacute křivka je potom zobrazena na obraacutezku 30 Křivka je určena pro teplotu t=15degC a nadmořskou vyacutešku h=0 m

Obr 30 Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny E33

63 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov

Celyacute vyacutepočet je umiacutestěn v přiacuteloze 2 Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr= 3596 ms-1 standardniacute odchylky σw=254 ms-1 a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 1459

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 3969

Spektrum rozloženiacute hustoty rychlostiacute větru v daneacute lokalitě se popisuje pomociacute Weibullovy pravděpodobnostniacute funkce grafickeacute zobrazeniacute je na obraacutezku 31

70

f x( ) = kcsdot xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdotexp minus xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

Obr 31 Weibullova funkce pro letiště Mošnov

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě mošnovskeacuteho letiště je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 3 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 015 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 682m sdot sminus1

Rozdiacutel v průměrnyacutech rychlostech je převaacutežně způsoben působeniacutem mezniacute vrstvy u povrchu Země Hustota vzduchu v miacutestě instalace značně ovlivňuje vyacuteslednyacute vyacutekon větrneacute elektraacuterny proto je potřeba ji v celkoveacutem vyacutepočtu zohlednit Hustota vzduchu ρ [kgm3] je zaacutevislaacute předevšiacutem na teplotě t [degC] a nadmořskeacute vyacutešce Z [m] dle vztahu

ρ = 33505t + 2731

sdotexp minus981sdotZ287 sdot(t + 2731)

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

71

Dalšiacute veličinou kterou je před samotnyacutem vyacutepočtem určit je kapacitniacute faktor CFA [-] Kapacitniacute faktor je jinyacutem naacutezvem součinitel využitiacute a určuje zastoupeniacute času při ktereacutem jsou schopny větrneacute elektraacuterny byacuteti v provozu Tento součinitel zaacuteviacutesiacute na typu větrneacute elektraacuterny daacutele pak na maximaacutelniacute rychlosti větru Uf [ms] minimaacutelniacute rychlosti větru Uc [ms] naacutevrhoveacute rychlosti větru Ur [ms] a Weibullovyacutech faktorech c a k dle naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 029

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Mošnově použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 257 m průměrnaacute teplota t= 65 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=682 ms Pnom se potom rovnaacute 8447 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obraacutezku 32

Obr 32 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro mošnovskou lokalitu Pav= 24 445 W Ročniacute průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 24445 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na letišti v Mošnově je potom Pwf=44691 kW Tato hodnota je na vyacutekon 330kW elektraacuterny velmi niacutezkaacute instalace tedy postraacutedaacute ekonomickyacute smysl a je potřeba určit jineacute umiacutestěniacute instalace Dalšiacutem faktorem znemožňujiacuteciacutem instalaci větrnyacutech elektraacuteren je složitost stavebniacuteho řiacutezeniacute Vzhledem k ochraně letištniacuteho provozu by stavba musela splňovat velmi složitaacute kriteacuteria a byacutet umiacutestěna v dostatečneacute vzdaacutelenosti od letištniacute draacutehy kde už nemusejiacute rychlosti větru odpoviacutedat rychlostem měřenyacutem meteorologickou staniciacute přiacutemo

72

na letišti

64 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce

Obec Noveacute Dvorce na hranici Olomouckeacuteho a Moravskoslezskeacuteho kraje byla vybraacutena jako alternativniacute lokalita splňujiacuteciacute zaacutekladniacute požadavek o průměrneacute ročniacute rychlosti větru V lokalitě Červeneacuteho kopce kteryacute je v bliacutezkosti obce Noveacute Dvorce je umiacutestěno již v současneacute době 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele větrneacuteho parku a to firmy Větrnaacute energie HL sro je v lokalitě Červeneacuteho kopce průměrnaacute rychlost větru vstr= 74 ms-1 standardniacute odchylka σw=35 ms-1 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny v teacuteto lokalitě probiacutehaacute analogicky jako v předešleacute kapitole Prvniacute je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr standardniacute odchylky σw a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu Mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 2225

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 8355

Graf Weibullovy funkce je pro lokalitu Noveacute Dvorce je zobrazen na obraacutezku 32

Obr 32 Weibullova funkce pro lokalitu Noveacute Dvorce

73

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě Novyacutech Dvorců je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 10 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 025 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 10372m sdot sminus1

Kapacitniacute faktor je potom určen podle analogickeacuteho vztahu jako v předešleacute kapitole pro Noveacute Dvorce je kapacitniacute faktor teacuteměř dvojnaacutesobnyacute což znamenaacute zvyacutešeniacute celkoveacuteho vyacutekonu dodaacuteveneacuteho elektraacuternami

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 0474

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Novyacutech Dvorciacutech použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 580 m průměrnaacute teplota t= 73 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=10372 ms Pnom se potom rovnaacute 2467 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obr

Obr 34 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro lokalitu Noveacute Dvorce Pav= 116 845 W Ročniacute

74

průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 116845 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na Červeneacutem kopci je potom Pwf=23369 kW Vypočiacutetanyacute vyacutekon je průměrně dostupnyacute 1500 hodrok jak uvaacutediacute zdroj [2] Celkovaacute elektrickaacute energie vyprodukovanaacute za 1 rok se určiacute dle vztahu

W = PWT sdot1500 = 3505 times105 kWh rok

Takto vysokaacute hodnota je daacutena předevšiacutem vhodnostiacute vybraneacute lokality kapacitniacute faktor CFA se tudiacutež bliacutežiacute nejvyššiacutem hodnotaacutem kteryacutech je elektraacuterna E33 schopna dosaacutehnout a to CFAmax= 05

65 Elektrolyzeacuter

Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutemu rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute Po uvaacuteženiacute předešlyacutech informaciacute byl pro aplikaci vybraacuten vysokotlakyacute elektrolyzeacuter NELP40 firmy Norsk Hydro Elektrolyzeacuter NELP40 maacute vyacutejimečnyacute dynamickyacute rozsah a to mezi 10 až 100 instalovaneacuteho vyacutekonu při zachovaacuteniacute vysokeacute čistoty vodiacuteku Rychlost vyacuteroby vodiacuteku okamžitě reaguje na rychleacute změny přiacutekonu což je ideaacutelniacute vlastnost pro spojeniacute s větrnou energiiacute Elektrolyzeacuter je pod delšiacute dobu schopen byacutet v režimu stand-by což umožňuje okamžiteacute obnoveniacute vyacuteroby vodiacuteku v přiacutepadě dobryacutech větrnyacutech podmiacutenek Tabulka 8 ukazuje provozniacute charakteristiky tohoto elektrolyzeacuteru

Jmenovitaacute Kapacita

Dynamickyacute rozsah kapacity

Vyacutestupniacute tlak

Čistota vodiacuteku

40 Nm3hod (36 kghod)

10 - 100 jmenoviteacute kapacity

16 bar g (232 psi g)

999

75

Naacuteběhovyacute čas ze stand-by do max kapacity

Reakce na dynamickou změnu zatiacuteženiacute

Okolniacute teplota

Kontrolniacute systeacutem

Elektrolyt

Potřebneacute napět

Frekvence zdroje

Spotřeba energie na Nm3 H2

Spotřeba vody na Nm3 H2

Vyacutekon potřebnyacute k maximaacutelniacute produkci

Vodivost vody

Průtok chladiacuteciacute vody

Teplota chladiacuteciacute vody

lt 3 sekundy

lt 1 sekunda

-20degC - +40degC

automatickyacute daacutelkovyacute monitoring a ovlaacutedaacuteniacute

32 vodnyacute roztok KOH

400 V

50 Hz

48 KWh

09 litru

192 kW

lt 5 microScm

15 m3hod při max kapacitě

lt 25degC

Tab 8 Provozniacute charakteristiky NELP40 [5]

Pro vyacutepočet celkoveacuteho množstviacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku danyacutem elektrolyzeacuterem vyjdeme z provozniacutech charakteristik elektrolyzeacuteru a celkoveacute elektrickeacute energie vyprodukovaneacute za 1 rok našimi větrnyacutemi elektraacuternami Vyacutepočet proveden v přiacuteloze 3 Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku VH potřebneacute množstviacute vody VV a hmotnost vyprodukovaneacuteho vodiacuteku mH je potom

VH = 73030Nm3H2 rokmH = 6573kg rokVV = 65730l rok

Pokud chceme vyčiacuteslit cenu produkce 1 kg vodiacuteku musiacuteme v prvniacutem kroku zařadit větrneacute podmiacutenky v našiacute lokalitě zařadit do kategorie klasifikace větrneacute energie podle obraacutezku 33

76

Obr 33 Klasifikace větrneacute energie [22]

Středniacute rychlost větru pro lokalitu Novyacutech Dvorců je vstr=74 ms-1 nicmeacuteně hustota větrneacute energie je odhadem nižšiacute proto naše lokalita spadaacute do kategorie 6 Podle obraacutezku 34 pak můžeme určit cenovyacute interval vyacuteroby 1 kg vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech Dle obraacutezku je nejnižšiacute možnaacute cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku lehce pod 3 dolary neboli 59 Kč

Obr 34 Cena elektrolytickeacute vyacuteroby 1 kg vodiacuteku dle třiacuted větrneacute energie [22]

66 Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta

Vodiacutek neniacute zdrojem ale přenašečem energie Užitiacute vodiacuteku neniacute omezeno pouze na palivoveacute člaacutenky vodiacutek je vyacutehodneacute palivo i pro klasickeacute spalovaciacute (benziacutenoveacute i naftoveacute) motory Užitiacutem vodiacuteku ve spalovaciacutech motorech vznikajiacute NOx i když jako jedineacute polutanty Diacuteky mnohem menšiacutem naacutekladům na uacutepravu spalovaciacutech motorů pro provoz na vodiacutekoveacute palivo v porovnaacuteniacute s palivovyacutemi člaacutenky se jeviacute varianta spalovaacuteniacute vodiacuteku v nich jako přechodně preferovanějšiacute řešeniacute do doby vyacuterazneacuteho sniacuteženiacute naacutekladů na palivoveacute člaacutenky nebo do doby zvyacutešeniacute jejich uacutečinnosti

77

Pro budouciacute hlavniacute vyacuterobu vodiacuteku prostřednictviacutem elektrolyacutezy vody je nutnyacute dalšiacute vyacuteznamnyacute energetickyacute nosič - elektřina Obdobně jako u elektřiny vyacutehody užitiacute vodiacuteku zaacutevisiacute na tom jak je vodiacutek vyraacuteběn Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny např vyraacuteběneacute z uhliacute zvyacutešiacute se sice bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute ale vyacuterazně se zvyacutešiacute emise CO2 Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny z obnovitelnyacutech zdrojů zvyacutešiacute se bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute a sniacutežiacute emise CO2 ale přidaacutevajiacute se dalšiacute vlivy tohoto způsobu vyacuteroby elektřiny (omezenost obnovitelnyacutech zdrojů) Umiacutestěniacute dostatečneacuteho množstviacute paliva ve vozidle je dalšiacute probleacutem kteryacute dnes neniacute uspokojivě vyřešen Hlavniacute vyacutehodou vodiacuteku jako energetickeacuteho nosiče je že nabiacuteziacute cestu k decentralizovaneacutemu energetickeacutemu trhu na baacutezi nefosilniacutech paliv Vodiacutek je možneacute použiacutevat ve vozidle jako palivo bud přiacutemo ve spalovaciacutem motoru nebo jako zdroj elektrickeacute energie v palivoveacutem člaacutenku v elektromobilu Při vyacuterobě vodiacuteku elektrolyacutezou vody použitiacutem elektrickeacute energie vyrobeneacute z obnovitelnyacutech zdrojů je vodiacutek nejčistšiacutem současnyacutem palivem Z hlediska snižovaacuteniacute emisiacute skleniacutekovyacutech plynů je podstatneacute že automobily jezdiacuteciacute na vodiacutek oproti elektromobilům využiacutevajiacuteciacutech elektřinu z fosilniacutech paliv nevytvaacuteřiacute žaacutedneacute emise oxidu uhličiteacuteho Použitiacute vzduchu jako palivoveacute složky při využitiacute niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků nepřinaacutešiacute emise NOx Probleacutemy s bezpečnostiacute a cena vozidel s přiacutemyacutem spalovaacuteniacutem vodiacuteku jsou však hlavniacute důvody proč se současnyacute vyacutevoj využitiacute vodiacuteku v automobilech orientuje spiacuteše na palivoveacute člaacutenky kde se vodiacutek využiacutevaacute na vyacuterobu elektrickeacute energie Nicmeacuteně se zaměřiacuteme na použitiacute vodiacuteku ve spalovaciacutem motoru a to převaacutežně z důvodu možneacuteho rychleacuteho nasazeniacute do provozu jelikož uacuteprava spalovaciacuteho motoru neniacute komplikovanaacute a byla už reaacutelně předvedena Dalšiacutem důvodem je cena automobil vybavenyacute palivovyacutemi člaacutenky o stejneacutem vyacutekonu jako 2 litrovyacute benzinovyacute motor maacute desetinaacutesobnou cenu celkovyacutech naacutekladu na konverzi auta se spalovaciacutem motorem [23] Palivovyacute systeacutem motoru je vybaven elektronickyacutem směšovaciacutem systeacutemem kteryacute určuje směšovaciacute poměr vodiacuteku a vzduchu Spalovaacuteniacute probiacutehaacute s přebytkem vzduchu Přiacutedavnyacute vzduch ve spalovaciacutem prostoru odniacutemaacute teplo a tiacutem klesaacute teplota plamene pod kritickou mez nad niž by se směs mohla sama vzniacutetit Vznikajiacuteciacute oxidy dusiacuteku (NOx) jsou neutralizovaacuteny v redukčniacutem katalyzaacutetoru Bez dalšiacutech přiacutedavnyacutech zařiacutezeniacute pracujiacute vodiacutekoveacute motory prakticky bez emisiacute oproti benzinu jsou všechny emisniacute komponenty sniacuteženy až o 999 [23]

661 Koncept Fordu Focus s vodiacutekovyacutem palivem

Projekt uacutepravy seacuteriově vyraacuteběneacuteho Fordu Focus byl koordinovaacuten daacutenskou nevlaacutedniacute organizaciacute Folkencenter kteraacute byla založena v roce 1983 Hlavniacute naacuteplniacute teacuteto organizace je vyacutevoj testovaacuteniacute a demonstrovaacuteniacute technologiiacute využiacutevajiacuteciacute obnovitelneacute zdroje energie Standardniacute Ford Focus s 2 litrovyacutem benziacutenovyacutem motorem byl konvertovaacuten na použitiacute vodiacuteku jako paliva Vysokotlakaacute naacutedrž na vodiacutek o objemu 90 l byla uložena do zadniacute čaacutesti automobilu Bezpečnostniacute a ovlaacutedaciacute prvky byly speciaacutelně vyvinuty Scheacutema systeacutemu je na obraacutezku 35

78

Obr 35 Scheacutema konceptu vodiacutekoveacuteho Fordu Focus [23]

Motor konceptu je startovaacuten pomociacute benziacutenu a po dostatečneacutem zvyacutešeniacute otaacuteček je automaticky přepnut na vodiacutekoveacute palivo Toto uspořaacutedaacuteniacute umožňuje plynuleacute starty a nabiacuteziacute možnost cestovaacuteniacute na delšiacute trasy za použitiacute konvenčniacutech paliv Modifikace byly provedeny na hlavě vaacutelce Palivovyacute systeacutem vodiacuteku byl nově vyvinut přesneacute elektronickeacute řiacutezeniacute motoru je založeno na rychlosti a zatiacuteženiacute motoru Maximaacutelniacute vyacutekon 46 k dostaneme při 4600 otm což umožňuje vyvinout rychlost až 110 kmh Vyacutekonovaacute křivka motoru je na obraacutezku 36

Obr 36 Porovnaacuteniacute vyacutekonu motoru Fordu Focus při použitiacute vodiacuteku a benziacutenu jako paliva [23]

79

662 Průměrnaacute spotřeba vodiacuteku jako paliva

Pro analyacutezy využitiacute vodiacuteku jako paliva a plaacutenovaacuteniacute spraacutevneacuteho rozvrženiacute čerpaciacutech stanic jsou elektrolytickeacute systeacutemy kategorizovaacuteny do naacutesledujiacuteciacutech kategoriiacute dle [24]

bull Domaacuteciacute velikost poskytne palivo pro 1-5 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 200-1000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho sousedstviacute poskytne palivo pro 5-50 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 1000-10000 kg H2rok

bull Velikost sousedstviacute poskytne palivo pro 50 - 150 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 10000-30000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho předměstiacute což může reprezentovat stojan u staacutevajiacuteciacutech benzinovyacutech pump poskytuje palivo pro 150-500 aut a produkce vodiacuteku dosahuje 30000-100000 kg H2rok

bull Velikost předměstiacute poskytne palivo pro viacutece než 500 automobilů za rok a produkce vodiacuteku bude většiacute než 100000 kg H2rok

Počet aut byl určen vyacutepočtem kteryacute předpoklaacutedaacute spotřebu jednoho auta na 200 kg vodiacuteku za rok Spotřeba 200 kg vodiacuteku předpoklaacutedaacute že auto ujede ročně průměrně 19000 km a průměrnaacute spotřeba bude 104 kg vodiacuteku na 100 km Při použitiacute stejnyacutech předpokladů a a použitiacute množstviacute naacutemi vyrobeneacuteho vodiacuteku a to mH=6573 kg může systeacutem instalovanyacute v Novyacutech Dvorciacutech pokryacutet ročniacute spotřebu až 32 automobilů Při zahrnutiacute informaciacute o naacutekladoveacute ceně na vyacuterobu jednoho 1kg paliva a průměrneacute spotřebě automobilu viz přiacuteloha 3 by cena na ujetiacute jednoho kilometru byla 061 Kč Tato cena nereflektuje daň spotřebniacute ani daň z přidaneacute hodnoty

663 Bezpečnostniacute zaacutesady

Vodiacutek je velmi lehkyacute a hořlavyacute plyn kteryacute ve spojeniacute se vzduchem vytvaacuteřiacute vyacutebušnou směs proto je potřeba dodržovat při konstrukci a provozu systeacutemů využiacutevajiacuteciacutech vodiacutek určiteacute bezpečnostniacute zaacutesady a postupy jako napřiacuteklad

bull Dokonale utěsněneacute trubkoveacute prostupy do zařiacutezeniacute a budovbull Použiacutevat bezpečnaacute zařiacutezeniacute ktereacute neprodukujiacute jiskry (osvětleniacute topeniacute

klimatizace)bull Ověřovaacuteniacute diferenčniacutech tlaků použiacutevaacuteniacute ventilaacutetorůbull Použiacutevaacuteniacute panelů miacuterniacuteciacutech přiacutepadnyacute vyacutebuchbull Testovaacuteniacute vodiacutekoveacuteho potrubiacute na tlakoveacute ztraacutety a uacutenikbull Potrubiacute a tlakoveacute naacutedoby profukovat dusiacutekem před manipulacemi s

armaturami aby jsme minimalizovali pravděpodobnost vytvořeniacute hořlaveacute směsi mezi vodiacutekem a vzduchem

Nouzoveacute vypiacutenače

Pro zajištěniacute rychleacute odstaacutevky vyacuteroby by měly byacutet v miacutestě instalace umiacutestěny nouzoveacute vypiacutenače Spraacutevneacute umiacutestěniacute samozřejmě zaacutevisiacute na konkreacutetniacutem provedeniacute systeacutemu Pro vyacuterobu vodiacuteku pomociacute elektrolyzeacuteru by měly byacutet umiacutestěny řiacutediacuteciacute budově na PLC skřiacuteni dalšiacute vhodneacute miacutesto je mimo hlavniacute vstup do produkčniacute budovy v produkčniacute budově opět umiacutestěniacute v bliacutezkosti PLC skřiacuteně

80

Aktivace nouzoveacuteho vypiacutenače by mělo naacutehle ukončit produkci vodiacuteku nebo odstavit proud přechaacutezejiacuteciacute do elektrolyzeacuteru Aktivace zavře pneumatickyacute ventil tak aby došlo k izolaci vysokotlakeacuteho vodiacuteku uloženeacuteho v zaacutesobniacuteku Naacutemi použityacute alkalickyacute elektrolyzeacuter ukončiacute svou činnost okamžitě po odstaveniacute probiacutehaacute promyacutevaacuteniacute dusiacutekem ktereacute trvaacute 10 až 15 minut

Detekce vodiacuteku

Produkčniacute budova a kompresorovna by měly miacutet vodiacutekoveacute detektory Vodiacutekoveacute detektory začnou vydaacutevat alarm když koncentrace vodiacuteku překročiacute 10 Detektory jsou kontinuaacutelně sledovaacuteny PLC ktereacute v přiacutepadě zvyacutešeniacute koncentrace odstaviacute vyacuterobu vodiacuteku a spustiacute alarm

Ventilace

Odsaacutevaciacute ventilaacutetor instalovaacuten do produkčniacute i kompresoroveacute budovy je v provozu kontinuaacutelně aby se zabraacutenilo nahromaděniacute unikajiacuteciacuteho vodiacuteku Odsaacutevaciacute ventilaacutetor je v provozu pokud probiacutehaacute vyacuteroba vodiacuteku Elektrolyzeacuter i kompresor jsou pozastaveny dokud nebude dosaženo na odsaacutevaciacutem ventilaacutetoru potřebneacute diferenciace tlaku kteryacute indikuje dostatečnyacute průtok vzduchu Tlaky jsou opět monitorovaacuteny PLC ktereacute zastaviacute vyacuterobu v přiacutepadě poklesu rozdiacutelu tlaku

Požaacuterniacute detekce

Protipožaacuterniacute ochrana se obvykle sklaacutedaacute ze dvou požaacuterniacutech hlaacutesičů odolaacutevajiacuteciacutech počasiacute a dvou optoelektronickyacutech detektorů kouře V produkčniacute budově jsou umiacutestěny UVIR detektory a detektory monitorujiacuteciacute tepelnyacute vyacutekon Všechny veškereacute detektory jsou spojeny s PLC ktereacute v přiacutepadě detekce požaacuteru odstaviacute vyacuterobu

81

Zaacutevěr

Praacutece teoreticky nastiňuje možnosti použitiacute hybridniacuteho systeacutemu spojeniacute dvou menšiacutech větrnyacutech elektraacuteren firmy Enercon o jmenoviteacutem vyacutekonu 330 kW a alkalickeacuteho elektrolyzeacuteru NELP40 firmy Norsk Hydro Zaacutekladniacutem krokem vyacutepočtu je nalezeniacute vhodneacute lokality umiacutestěniacute větrnyacutech elektraacuteren Prvotniacute vyacuteběr se provaacutediacute pomociacute větrneacute mapy kterou distribuuje ČHMUacute V našem přiacutepadě byla vybraacutena lokalita letiště v Mošnově Druhyacutem krokem je měřeniacute přiacutemo v miacutestě umiacutestěniacute potenciaacutelniacute větrneacute elektraacuterny Pro tento krok byly využity data dodanaacute miacutestniacute meteorologickou staniciacute Data se statisticky zpracovala a ukaacutezala naacutem zaacutekladniacute vlastnosti větru v mošnovskeacute lokalitě Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov je vstr=3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1 Tyto hodnoty jsou měřeny ve vyacutešce 3 m nad tereacutenem Pomociacute těchto hodnot byly určeny hodnoty tvaroveacuteho Weibull parametru k=1459 a rozměroveacuteho Weibull parametru c=3969 ms-1 Jelikož budou rotory větrneacute elektraacuterny umiacutestěny ve vyacutešce 44 m je potřeba přepočiacutetat průměrnou rychlost větru praacutevě pro 44 m průměrnaacute rychlost větru ve 44 m je potom Ur=682 ms-1 Jedniacutem ze zaacutekladniacutech faktorů ukazujiacuteciacutech kvalitu umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny je tzv kapacitniacute faktor CFA=029 tato hodnota je relativně niacutezkaacute a dalo se tedy předpoklaacutedat že lokalita v Mošnově neniacute ideaacutelniacutem miacutestem pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Domněnka byla potvrzena po dopočiacutetaacuteniacute celkoveacuteho vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren Pwf=44691 kW Tato hodnota je velmi niacutezkaacute pokud vezmeme v potaz celkovyacute nominaacutelniacute vyacutekon obou elektraacuteren kteryacute je 660 kW Podle větrneacute mapy byly vybraacuteny Noveacute Dvorce jako alternativniacute možnost umiacutestěniacute našich elektraacuteren Shodou okolnostiacute toto miacutesto již využiacutevaacute společnost Větrnaacute energie HL sro kteraacute zde umiacutestila 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele byla v miacutestě naměřena průměrnaacute rychlost větru vstr=74 ms=1 a standardniacute odchylka je potom σw=35 ms-1 Tyto hodnoty byly měřeny ve vyacutešce 10 m Vyacutepočet probiacutehal analogicky jako v prvniacutem přiacutepadě Kapacitniacute faktor CFA=0474 Stejně jako v předešleacutem přiacutepadě se dalo tušit že celkovyacute vyacutekon bude vysokyacute maximaacutelniacute kapacitniacute faktor pro větrnou elektraacuternu Enercon E33 je totiž 05 Celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren je v tomto přiacutepadě Pwf=23369 kW což je velmi dobraacute hodnota Předpoklaacutedaacute se že dostupnost tohoto vyacutekonu je 1500 hodin ročně celkovaacute vyrobenaacute elektrickaacute energie W=3505x105 kWhrok Elektrickaacute energie je spotřebovaacutena elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro kteryacute je pomociacute niacute schopen vyrobit mh=6573 kgrok Pro zjištěniacute naacutekladoveacute ceny je prvně potřeba klasifikovat větrneacute podmiacutenky podle zdroje [22] naše lokalita spadaacute do 6 kategorie a cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku je tedy 59 Kč Vodiacutek je daacutele použit jako palivo pro automobily ktereacute použiacutevajiacute konvenčniacute spalovaciacute motory upraveneacute pro spalovaacuteniacute vodiacuteku jako paliva Předpoklaacutedaacuteme že průměrnaacute spotřeba vodiacuteku na jedno auto a rok je 200 kg vodiacuteku Předpoklad zahrnuje ujetiacute 19 000 km za rok a průměrneacute spotřeby 104 kg vodiacuteku na 100 km Produkce vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech by pokryla provoz až 32 automobilů Naacutekladovaacute cena na ujetiacute 1 km by byla 061 Kč naacutekladovaacute cena pro benzinovyacute je průměrně 120 Kč Tyto ceny nereflektujiacute vyacuteši spotřebniacute daně a daně z přidaneacute hodnoty Zejmeacutena u daně z přidaneacute hodnoty se daacute předpoklaacutedat daňoveacute zvyacutehodněniacute pro vodiacutekovyacute pohon jelikož tento způsob vyacuteroby a využitiacute vodiacuteku neuvolňuje žaacutedneacute emise

82

Seznam použiteacute literatury

[1] Lakva P Netradičniacute využitiacute větrneacute energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2009 38 s Vedouciacute bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

[2] Rychetniacutek V Pavelka J Větrneacute motory a elektraacuterny ČVUT Praha 1997

[3] Wind energy [online] [citovaacuteno 2012-10-10] Dostupneacute z lthttpwwwgreenrhinoenergycomrenewablewindgt

[4] Luťcha J Hybridniacute soustava větrneacute elektraacuterny a fotovoltaickyacutech člaacutenků KG Process Innovations Brno 2009

[5] Norwegian Electrolysers [online] [citovaacuteno 2012-04-22] Dostupneacute z lthttpwwwnel-hydrogencomgt

[6] Sherif S A Barbir F Veziroglu T N Wind energy and the hydrogen economy-review of the technology Elsevier 2005

[7] Gupta R Hydrogen fuel production transport and storage San Francisco 2008 ISBN 978-1-4200-4575-8

[8] Sobotka K A wind power fuel cell hybrid system study University of Akureyri 2009

[9] Richard S A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles Universiteacute Laval 1996

[10] Agbossou K Chahine R Hamelin J Renewable energy systems based on hydrogen for remote applications Journal of Power Sources New York 2001

[11] Vijayaraghavan K Trends in biological hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy Rennes 2004

[12] Horaacutek B Koziorek J Kopřiva M Studie pohonu mobilniacuteho prostředku s palivovyacutem člaacutenkem VŠB TU Ostrava 2005

[13] Celik AN On the distributional parameters used in assessment of the suitability of wind speed probability density functions Energy Convers Manag Istanbul 2004 [14] Stolten D Krieg D Weber M An Overview on Water Electrolysis Juelich Research Center Berlin 2010

[15] Bourgeois R Advanced Alkaline Electrolysis GE Global Research Center New York 2006

[16] Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav [online] [citovaacuteno 2013-04-21] Dostupneacute z lthttpwwwchmiczgt

83

Seznam použityacutech zkratek

AFC Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

ČHMUacute Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav

HF Vodiacutekovyacute filtr

ICI Imperial chemical industries

IR Infračerveneacute zaacuteřeniacute

MEA Membraacutenoveacute uskupeniacute

MCFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů

NASA Naacuterodniacute uacuteřad pro letectviacute a kosmonautiku

NHL Niacutezkyacute horniacute limit

OF Kysliacutekovyacute filtr

PAFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute

PEM Palivovyacute člaacutenek s polymerniacute membraacutenou

PLC Programovatelnyacute logickyacute automat

SOFC Palivovyacute člaacutenek s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů

UV Ultrafialoveacute zaacuteřeniacute

VHL Vysokyacute horniacute limit

10

Seznam použityacutech symbolů

Symbol Vyacuteznam Jednotka

c Rozměrovyacute Weibull parametr -

CFA Kapacitniacute faktor -

CFAmax Maximaacutelniacute kapacitniacute faktor -

hrf Referenčniacute vyacuteška m

k Tvarovyacute Weibull parametr -

mH Hmotnost vyrobeneacuteho vodiacuteku kg

Pav Vyacutekon v naacutevrhoveacutem bodě kW

Pnom Nominaacutelniacute vyacutekon větrneacute turbiacuteny kW

Pwt Vyacutekon jedneacute větrneacute turbiacuteny kW

Pwf Vyacutekon obou větrnyacutech turbiacuten kW

Rgh Deacutelka turbulence -

Ur Naacutevrhovaacute rychlost větru ms-1

VH Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku za rok Nm3rok

vstr Středniacute rychlost větru ms-1

VV Objem vody potřebneacute k elektrolyacuteze l

Z Nadmořskaacute vyacuteška m

σw Standardniacute odchylka ms-1

Ostatniacute zde neuvedeneacute symboly jsou systematicky vysvětlovaacuteny v textu diplomoveacute praacutece

11

Uacutevod

Plneacute vyacutehody využitiacute vodiacuteku jako udržitelneacuteho zdroje paliva mohou byacutet dosaženy pouze v přiacutepadě že vodiacutek je produkovaacuten z obnovitelnyacutech zdrojů energie Využitiacute větrneacute a solaacuterniacute energie zaznamenalo v posledniacutech letech velkyacute pokrok Tento pokrok znamenaacute sniacuteženiacute ceny energie vyrobeneacute z těchto zdrojů Velmi často jsou takoveacute zdroje energie široce dostupneacute pokud napřiacuteklad bereme v uacutevahu Evropu jako celek v samotneacute Českeacute republice jsou možnosti využitiacute větru a slunečniacute energie relativně maleacute vzhledem k celkoveacute energetickeacute poptaacutevce na našem trhu Obnovitelneacute zdroje energie se mohou uplatnit v odlehlyacutech oblastech nebo v oblastech kde neniacute dostatečně vybudovaacutena elektrickaacute siacuteť a pokryacutet lokaacutelniacute energetickeacute požadavky Provoz solaacuterniacutech a větrnyacutech systeacutemů vysoce zaacutevisiacute na meteorologickyacutech podmiacutenkaacutech a tiacutem paacutedem je produkce elektřiny proměnnaacute v čase a často nereflektuje energetickeacute požadavky Řešeniacute tohoto probleacutemu je uloženiacute energie Energie se nejčastěji uklaacutedaacute pomociacute bateriiacute Baterie rychle ztraacuteciacute uloženou energii a mohou byacutet použity pouze v relativně kraacutetkeacutem časoveacutem uacuteseku Baterie majiacute takeacute limitovanou životnost Lepšiacute možnostiacute uloženiacute energie se jeviacute využitiacute vodiacutek jako nositele energie Molekulaacuterniacute vodiacutek v přiacuterodě neexistuje musiacute byacutet ziacuteskaacuten jinyacutemi způsoby Jedinaacute skutečně vyspělaacute technologie ziacuteskaacutevaacuteniacute vodiacuteku z obnovitelnyacutech zdrojů energie je elektrolyacuteza vody při ktereacute je molekula vody rozdělena na kysliacutek a vodiacutek použitiacutem elektrickeacute energie Elektrolyzeacutery jsou založeny na alkalickyacutech elektrolytech nebo protonoveacute membraacuteně kde je použit materiaacutel Nafion jako elektrolyt Stejnyacute materiaacutel je použit jako elektrolyt i v PEM palivovyacutech člaacutenciacutech Systeacutem elektrolyacutezy vody se sklaacutedaacute z elektrolytickyacutech člaacutenků nebo modulů fluidniacuteho subsysteacutemu dodaacutevajiacuteciacuteho vodu do člaacutenku a odvaacutedějiacuteciacuteho plyny ze člaacutenku a elektrickeacuteho subsysteacutemu Hlavniacutemi komponenty vodniacute elektrolyacutezy katoda anoda a separaacutetor Anoda a katoda musiacute byacutet odolneacute korozi a musiacute byacutet dobryacutemi elektrickyacutemi vodiči Kapacita produkce vodiacuteku pomociacute elektrolyacutezy se může pohybovat řaacutedově od několika cm3min až do tisiacuteců m3h Uacutečinnost procesu se řaacutedově pohybuje kolem 70 Proces elektrolyacutezy požaduje vysokou energetickou hustotu takže proce může byacutet velice drahyacute Vyacuteroba levneacuteho vodiacuteku může byacutet dosažena použitiacutem mimo-špičkoveacute elektrickeacute energie kdy je přebytek energie ze solaacuterniacutech panelů nebo větrneacute elektraacuterny použit pro proces elektrolyacutezy Vodiacutek je nejčastěji uložen ve formě stlačeneacuteho plynu v tlakovyacutech naacutedobaacutech ale existujiacute i dalšiacute možnosti uloženiacute vyrobeneacuteho vodiacuteku (v kapalneacutem stavu v pevnyacutech hydridech kovu a nebo v kapalnyacutech nosičiacutech např metanolu) V obdobiacute elektrickyacutech špiček ale při špatnyacutech povětrnostniacutech podmiacutenkaacutech může byacutet vodiacutek použit jako palivo do vysoce efektivniacutech palivovyacutech člaacutenků k uspokojeniacute elektrickeacute poptaacutevky Vodiacutek vyprodukovanyacute větrnou energiiacute lze použiacutet jako alternativniacute palivo do aut Hlavniacutemi průkopniacuteky použiacutevaacuteniacute vodiacuteku v automobiloveacutem průmyslu jsou značky BMW a Toyota Palivoveacute člaacutenky jsou zařiacutezeniacute produkujiacuteciacute elektrickou energii tak dlouho dokud je zajištěna dodaacutevka vodiacuteku jako paliva Člaacutenky pracujiacute na na přiacutemeacute elektrochemickeacute konverzi paliva dosahujiacute tak vysokeacute uacutečinnosti dosahujiacuteciacute 40 Systeacutemy využiacutevajiacuteciacute vodiacutek nabiacuteziacute flexibilitu v dimenzovaacuteniacute diacuteky modularitě elektrolyzeacuterů palivovyacutech člaacutenků a uskladněniacute vodiacuteku Komplikovanost systeacutemu založeneacuteho na vodiacuteku je velmi vysokaacute Pro zajištěniacute kontinuaacutelniacutech dodaacutevek je potřeba zajistit kvalitniacute management energetickyacutech toků mezi jednotlivyacutemi složkami systeacutemu

12

Provoz elektrolyzeacuteru a palivovyacutech člaacutenků v kombinaci s obnovitelnyacutemi zdroji energie přinaacutešiacute několik probleacutemu Prvniacutem probleacutemem je určeniacute velikosti elektrolyzeacuteru vzhledem k vyacutekonu větrneacute elektraacuterny nebo poli solaacuterniacutech panelů Jednou možnostiacute je navrhnout velikost elektrolyzeacuteru tak aby byl schopen přijmout veškeryacute vyacutekon vyprodukovanyacute vyacutekon nebo použiacutet elektrolyzeacuter s vyacutekonem nižšiacutem než je maximum zdroje V prvniacutem přiacutepadě bude elektrolyzeacuter pracovat se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem jako zdroj Toto řešeniacute je ovšem cenově meacuteně konkurenceschopneacute Druhaacute instalace je ekonomicky vyacutehodnějšiacute jelikož elektrolyzeacuter pracuje při vyššiacute kapacitě ale čaacutest elektrickeacute energie musiacute byacutet využito jinyacutem způsobem než pro vyacuterobu vodiacuteku Provoz elektrolyzeacuteru v kombinaci s obnovitelnyacutem zdrojem energie maacute několik probleacutemů ktereacute je potřeba řešit Obnovitelneacute zdroje jsou velmi nestaacuteleacute zdroje energie takto produkovaacutena může značně koliacutesat hodinu od hodiny den od dne obdobiacute od obdobiacute nebo rok od roku Proměnnyacute přiacutekon může způsobit probleacutemy s termoregulaciacute elektrolyzeacuteru Spraacutevnyacute provoz elektrolyzeacuteru zaacutevisiacute na předpoviacutedatelnyacutech pracovniacutech teplotaacutech Elektrolyzeacutery potřebujiacute určitou dobu na zahřaacutetiacute a provoz pod nominaacutelniacutem přiacutekonem může způsobit nižšiacute provozniacute teploty ktereacute majiacute za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti Komprese vodiacuteku se provaacutediacute piacutestovyacutemi a odstředivyacutemi kompresory Spotřeba kompresoru zaacutevisiacute na tlakoveacutem poměru proto je potřeba uvažovat o tlakovyacutech elektrolyzeacuterech ktereacute mohou sniacutežit celkovou spotřebu energie systeacutemu Sniacuteženiacute spotřeby je důsledkem odstraněniacutem elektrickeacute energie potřebneacute pro mechanickou kompresi Při elektrolyacuteze vznikaacute kromě vodiacuteku takeacute kysliacutek Kysliacutek je převaacutežně vypouštěn ze systeacutemu může byacutet použit při provozu palivoveacuteho člaacutenku zlepšuje totiž jeho vyacutekon Cena kysliacuteku je asi 4x menšiacute než cena vodiacuteku takže je potřeba zvaacutežit zda se vyplatiacute kysliacutek uklaacutedat při dalšiacutech naacutekladech Produkce vodiacuteku požaduje dostatečneacute množstviacute čisteacute vody Nečistoty obsaženeacute ve vodě mohou vyacuteznamně ovlivnit životnosti elektrolytickyacutech člaacutenků Voda je obvykle čištěna přiacutemo na miacutestě instalace čištěniacute vody může byacutet dalšiacutem naacutekladem při produkci vodiacuteku Při provozu elektrolyzeacuteru nastaacutevaacute kraacutetkodobeacute zvyšovaacuteniacute napětiacute způsobeneacute ustaveniacutem rovnovaacutehy obsahu vody v membraacuteně a oxidaciacute katalyzaacutetoru a dalšiacutech kovovyacutech komponentů Současneacute palivoveacute člaacutenky majiacute relativně kraacutetkou životnost kvůli degradaci membraacuteny Životnost elektrolyzeacuteru a palivoveacuteho člaacutenku je potřeba zohlednit při naacutevrhu systeacutemu Dalšiacutem velmi důležityacutem probleacutemem tyacutekajiacuteciacutem se vodiacuteku je bezpečnost Nespraacutevneacute zachaacutezeniacute a skladovaacuteniacute může způsobit určiteacute nebezpečiacute protože vodiacutek maacute niacutezkou teplotu vzniacuteceniacute a je velmi hořlavyacute Plamen hořiacuteciacuteho vodiacuteku je teacuteměř neviditelnyacute lehce tak může způsobit zraněniacute jelikož je těžce pozorovatelnyacute Vodiacutek je těkavyacute a neniacute toxickyacute Naacuteležitaacute ochrana a spraacutevneacute použitiacute systeacutemů využiacutevajiacuteciacute vodiacutek by mělo zaručit bezpečnost a spraacutevnou funkci

13

1Větrnaacute energie

Větrnaacute energie je energie pohybujiacuteciacute se vzduchoveacute masy Pohyb vzduchoveacute masy je způsoben rozdiacutelem teplot v atmosfeacuteře Slunečniacute zaacuteřeniacute ohřiacutevaacute vzduch kteryacute naacutesledně stoupaacute do vyššiacutech pater atmosfeacutery Tento pohyb vzduchu maacute za naacutesledek vytvořeniacute zoacuten nižšiacuteho tlaku vzduchu Tok vzduchu tzn viacutetr tyto tlakoveacute diference vyrovnaacutevaacute Větrnaacute energie je slunečniacute energie přeměněnaacute na kinetickou energii pohybujiacuteciacuteho se vzduchu Větrnaacute energie je globaacutelně nejrychleji rostouciacute sektor vyacuteroby energie z obnovitelnyacutech zdrojů Instalovanyacute vyacutekon v zemiacutech Evropskeacute unie dosaacutehl v roce 2012 100 GW polovina teacuteto kapacity byla instalovanaacute v posledniacutech 6 letech Obraacutezek 1 ukazuje vyacutevoj instalovaneacuteho vyacutekonu

Obr 1 Instalovanyacute vyacutekon větrnyacutech elektraacuteren v EU [14]

Větrneacute elektraacuterny tohoto vyacutekonu jsou schopny pokryacutet potřebu elektrickeacute energie pro 57 milioacutenů domaacutecnostiacute Ekvivalentniacute vyacutekon v uhelnyacutech elektraacuternaacutech by byl dosažen po spaacuteleniacute 72 milioacutenů tun uhliacute což představuje cca 750 000 vagoacutenůI přes tento rozvoj pouze vybraneacute lokality majiacute charakteristiky rychlosti a staacutelosti větru vhodneacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Hraniciacute ekonomickeacute naacutevratnosti investice je pro větrneacute elektraacuterny umiacutestěneacute ve vnitrozemiacute hodnota průměrneacute rychlosti větru 6 ms pro elektraacuterny umiacutestěneacute na moři je tato hodnota 7 ms vyššiacute hodnota je způsobena zejmeacutena zvyacutešenyacutemi investičniacutemi naacuteklady na instalaci tzv off-shore elektraacuteren Prvotniacutem krokem vybraacuteniacute vhodneacute lokality pro instalaci větrneacute elektraacuterny je průzkum satelitniacutech dat o průměrneacute rychlosti větru Zdrojem těchto dat je velkeacute množstviacute instituciacute na obr 2 je mapa vytvořena společnostiacute NASA přesněji satelitem GEOS-1 kteraacute zobrazuje ročniacute průměrnou rychlost ve vyacutešce 50 m Pro českeacute investory budou nejzajiacutemavějšiacute informace ČHMUacute kteryacute je schopen za poplatek dodat informace o směru a rychlosti větru v Českeacute republice Data jsou ovšem nepřiacutemaacute naměřeneacute hodnoty z meteorologickyacute stanic jsou aproximovanaacute pomociacute

0

25

50

75

100

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011

Vyacuteko

n [G

W]

Rok

14

matematickyacutech modelů Tyto mapoveacute podklady sloužiacute k přibližneacutemu určeniacute vhodneacute lokality Konečneacute rozhodnutiacute o instalaci by mělo byacutet založeno na dlouhodobeacutem měřeniacute na konkreacutetniacutem miacutestě plaacutenovaneacute vyacutestavby větrneacute elektraacuterny

Obr 2 Průměrnaacute rychlost větru ve vyacutešce 50 m [15]

Miacutesta s největšiacutem potenciaacutelem pro využitiacute větrneacute energie jsou nad oceaacuteny naopak miacutesta s jednou z nejhoršiacutech využitelnostiacute větrneacute energie jsou centraacutelniacute regiony velkyacutech světadiacutelů Nejvhodnějšiacute lokality pro využiacutevaacuteniacute větrneacute energie jsou pobřežniacute regiony Pobřežniacute regiony jsou znaacutemeacute silnyacutem větrem a velkyacutem poměrem světoveacute populace tzn odběratelů elektrickeacute energie Větrnaacute energie trpiacute stejnyacutem neduhem jako většina zdrojů obnovitelneacute energie a to nestaacutelostiacute a značnyacutemi sezoacutenniacutemi rozdiacutely Je velmi složiteacute přesně předpovědět energetickyacute vyacutestup z větrnyacutech zdrojů Rozvodnaacute siacuteť je schopna tyto sezonniacute vyacutekyvy absorbovat ale pouze v přiacutepadě že větrnaacute energie tvořiacute meacuteně než 20 celkoveacute kapacity siacutetě Diacuteky nestaacutelosti větrneacute energie větrneacute turbiacuteny pracujiacute s niacutezkyacutem kapacitniacutem faktorem Podiacutel větrneacute energie může byacutet vyacuterazně zvyacutešen použitiacutem skladovaciacutech technologiiacute Skladovaciacutech technologiiacute je celaacute řada pro svou praacuteci jsem si vybral jako nejslibnějšiacute technologii použitiacute vodiacuteku jako energetickeacuteho nositele Využitiacute vodiacuteku k vyacuterobě elektřiny je kontrolovatelneacute a dokaacuteže pokryacutet energetickeacute vyacutekyvy v době kdy větrneacute elektraacuterny do siacutetě elektrickou energii nedodaacutevajiacute Pro zajištěniacute spolehlivosti energetickeacuteho zdroje a optimalizaci naacutekladů na instalaci je potřeba najiacutet vhodnyacute vztah mezi jmenovityacutem vyacutekonem větrneacute elektraacuterny a vyacutekonem vodiacutekoveacuteho systeacutemu Vzdušneacute prouděniacute je proměnneacute nejenom v kraacutetkeacutem časoveacutem horizontu ale zaacuteroveň se měniacute i v raacutemci ročniacuteho obdobiacute Tato proměnnost značně ovlivňuje vyacutekonnost celeacuteho systeacutemu Větrnaacute energie se měniacute takeacute teacuteměř z hodiny na hodinu proto je potřeba vytvořit strategii pro pracovniacute režimy elektrolyzeacuteru tak aby nedochaacutezelo k časteacutemu vypiacutenaacuteniacute a zapiacutenaacuteniacute systeacutemu v zaacutevislosti na variaci větrneacute energie Přesnaacute předpověď vyacutevoje rychlosti větru zahrnuta do plaacutenovaciacutech a provozniacutech naacutestrojů systeacutemu může systeacutem značně vylepšit

15

Vyacuteroba vodiacuteku pomociacute větrneacute energie se děje pomociacute elektrolyacutezy vody tento vyacuterobniacute postup je vysvětlen v kapitole ldquoelektrolyacutezardquo Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutem rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute Pomocnaacute energie je dodaacutevanaacute ze stabilniacuteho regulovatelneacuteho zdroje V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Kombinace zdroje jako je větrnaacute elektraacuterna s elektrolyzeacutery může miacutet za naacutesledek sniacuteženiacute uacutečinnosti kvůli ztraacutetaacutem způsobenyacutech konverziacute elektrickeacute energie ze stejnosměrneacute na střiacutedavou a naopak Jak usměrňovače tak invertory spotřebujiacute čaacutest energie Tyto zařiacutezeniacute mohou v ideaacutelniacutech podmiacutenkaacutech pracovat s uacutečinnostiacute kolem 93 - 95 bohužel velmi proměnou energii ziacuteskaacutevanou s větru nemůžeme považovat za ideaacutelniacute podmiacutenky tomu odpoviacutedaacute i znatelně menšiacute uacutečinnost Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute

16

11Větrneacute turbiacuteny

111Technologie

Nejčastěji použiacutevanaacute větrnaacute turbiacutena je tzv vztlakovyacute třiacutelistyacute rotor s vodorovnou osou otaacutečeniacute Pracuje na principu leteckeacute vrtule kdy viacutetr obteacutekaacute lopatky Lopatkyjsou asymetricky tvarovaacuteny proto na každeacute straně lopatky maacute obteacutekajiacuteciacute vzduch jinou

Obr 3 Zjednodušeneacute scheacutema větrneacute elektraacuterny [14]

rychlost to vytvaacuteřiacute tlakovou diferenci ktereacute maacute v konečneacutem důsledku za naacutesledek vytvořeniacute vztlakovyacutech sil ktereacute rotor roztaacutečiacute Hnaciacute uacutestrojiacute je obvykle tvořeno niacutezko-rychlostniacute hřiacutedeliacute kteraacute připojuje rotor k převodovce Převodovka je 2 až 3 stupňovaacute tzv rychlost zvyšujiacuteciacute Převodovka je připojena vysoko-rychlostniacute hřiacutedeliacute ke generaacutetoru Generaacutetory jsou typicky asynchronniacute indukčniacute a pracujiacute v rozmeziacute 550 - 690 V Některeacute turbiacuteny mohou byacutet vybaveny přiacutedavnyacutem generaacutetorem zlepšujiacuteciacutem produkci při niacutezkeacute rychlosti větru Přiacutedavnyacute generaacutetor může byacutet oddělenyacute nebo integrovanyacute v hlavniacutem generaacutetoru Součaacutestiacute větrnyacutech turbiacuten je i transformaacutetor kteryacute pomociacute elektromagnetickeacute indukce zvyšuje napětiacute proudu vznikajiacuteciacuteho ve větrneacute elektraacuterně Sběrnyacute systeacutem na miacutestě větrneacute elektraacuterny obvykle operuje se středniacutem napětiacute cca 25 - 35 kV Obraacutezek 3 zobrazuje zaacutekladniacute čaacutesti typickeacute větrneacute elektraacuterny Typickaacute větrnaacute elektraacuterna je vybavena regulačniacutem systeacutemem naklaacutepěniacute Pomociacute tohoto zařiacutezeniacute jsou uacutehly naacuteběhu listu rotoru staacutele regulovaacuteny tak aby byl rotor optimaacutelně přizpůsoben aktuaacutelniacutem větrnyacutem podmiacutenkaacutem Při vyššiacutech rychlostech větru regulačniacute systeacutemy zajišťujiacute aby vyacutekon elektraacuterny byl co možnaacute nejbliacuteže jmenoviteacuteho vyacutekonu Při nižšiacutech rychlostech optimalizujiacute předaacutevaacuteniacute vyacutekonu nastaveniacutem optimaacutelniacuteho počtu otaacuteček a optimaacutelniacuteho uacutehlu nastaveniacute rotorů Veškereacute funkce elektraacuterny jsou kontrolovaacuteny a řiacutezeny řiacutediacuteciacute jednotkou kteraacute je umiacutestěna

17

většinou ve věži Změny uacutehlu nastaveniacute listů rotoru jsou aktivovaacuteny pomociacute mžikoveacuteho ramene hydraulickyacutem systeacutemem kteryacute umožňuje listům rotovat axiaacutelně Elektricky pohaacuteněneacute převody se starajiacute o nataacutečeniacute celeacute gondoly ve směru větru Pohyb je uskutečňovaacuten pomociacute pastorku v gondole zasahujiacuteciacuteho do zubů otočneacuteho věnce kteryacute je upevněn na vrchniacute čaacutesti věže [2] Ložiskovyacute systeacutem směrovaacuteniacute větru je systeacutem kluzneacuteho ložiska se zabudovanou frikčniacute a blokujiacuteciacute funkciacute Listy rotoru jsou vyrobeny z epoxidoveacute pryskyřice vyztuženeacute skelnyacutem vlaacuteknem Každyacute list rotoru se sklaacutedaacute ze dvou polovin ktereacute jsou spojeny s nosnou traverzou Zvlaacuteštniacute oceloveacute vložky k ukotveniacute spojujiacute listy rotoru s ložiskem Brzděniacute rotoru probiacutehaacute pomociacute nastaveniacute listů Parkovaciacute brzda se nachaacuteziacute na vysokorychlostniacutem hřiacutedeli Gondola chraacuteniacute vnitřniacute komponenty elektraacuterny před povětrnostniacutemi podmiacutenkami a zviacuteřectvem Gondola je nejčastěji vyrobena z plastu[1]

Obr 4 Vztah rychlosti větru a vyacutekonu větrneacute elektraacuterny [8]

Jak je ukaacutezaacuteno na obraacutezku 4 vyacutekon větrneacute elektraacuterny je funkciacute rychlosti větru Vztah mezi vyacutekonem a rychlostiacute větru je definovaacuten pomociacute tzv vyacutekonoveacute charakteristiky kteraacute je unikaacutetniacute pro každou turbiacutenu v některyacutech přiacutepadech se může lišit i v zaacutevislosti na umiacutestěniacute elektraacuterny Pokud se budeme snažit generalizovat tak většina elektraacuteren začiacutenaacute produkovat vyacutekon při rychlosti větru okolo 2 ms jmenoviteacuteho vyacutekonu dosaacutehne okolo 13 ms a k odstaveniacute kolem 25 mskdy je nebezpečiacute poškozeniacute mechanickyacutech čaacutestiacute elektraacuterny a proto dojdek zabrzděniacute rotoru Proměnnost větru maacute za naacutesledek neustaacutelou změnu vyacutekonu Větrnaacute elektraacuterna umiacutestěna v lokaci s dobrou charakteristikou větru je schopna v ročniacutem průměru produkovat maximaacutelně 35 sveacute možneacute kapacity

12Analyacuteza lokaacutelniacutech větrnyacutech podmiacutenek

121Všeobecně

Vzhledem k tomu že větrneacute podmiacutenky jsou specifickeacute pro danou lokalitu a jsou vyacuterazně ovlivněny topologiiacute tereacutenu i překaacutežkami v okoliacute instalovaneacute větrneacute elektraacuterny je nutneacute ziacuteskat co nejpřesnějšiacute kvantitativniacute popis těchto podmiacutenek Elektrickeacute energie produkovanaacute danou větrnou elektraacuternou se vyacuterazně měniacute s odchylkami rychlosti větru od jejiacute středniacute hodnoty Jestliže 50 časoveacuteho uacuteseku

18

je rychlost větru 12 ms a 50 je rychlost 0 ms větrnaacute elektraacuterna vyrobiacute podstatně viacutece energie energie než když 100 tohoto času je rychlost větru 6 ms [3] Tato skutečnost vyplyacutevaacute ze zaacutevislosti vyacutekonu větrneacute elektraacuterny na třetiacute mocnině rychlosti větru [4] Pro vyhodnoceniacute očekaacutevaneacute produkce elektrickeacute energie v daneacute lokalitě je nutnaacute znalost distribuce rychlosti větru

122Počiacutetačoveacute modelovaacuteniacute

V širšiacutem měřiacutetku je možno modelovat průběh rychlosti větru počiacutetačovyacutem modelovaacuteniacutem Speciaacutelniacute vyacutepočetniacute algoritmy dokaacutežiacute popsat vliv různyacutech parametrů na rychlost větru jako je nadmořskaacute vyacuteška topografie a povrch tereacutenu Tyto modely musiacute použiacutevat vstupniacute data o charakteru větru ze znaacutemeacute lokace Roli těchto znaacutemyacutech lokaciacute zastupujiacute předevšiacutem meteorologickeacute stanice ktereacute nabiacuteziacute přesneacute měřeniacute směru a rychlosti větru pro daneacute miacutesto

Obr 5 Průměrnaacute rychlost větru v 10 m [16]

Tyto viacutetr mapujiacuteciacute programy dle znaacutemyacutech hodnot odvodiacute hodnoty rychlostiacute větru pro specifickou vyacutešku a miacutesto na zaacutekladě těchto hodnot se vytvaacuteřiacute tzv atlas větru Atlasy větru jsou vydaacutevaacuteny ve velkeacute množstviacute měřiacutetek od globaacutelniacutech map po mapy lokaacutelniacute U naacutes je zdrojem těchto map předevšiacutem ČHMUacute kteryacute tyto mapy poskytuje potencionaacutelniacutem investorům za uacuteplatu Větrneacute mapy reprezentujiacute nejlepšiacute

19

odhad větrnyacutech zdrojů na velkeacutem uacutezemiacute Nemohou však zastoupit měřeniacute větru přiacutemo na miacutestě anemometrem Sloužiacute k vybraacuteniacute lokality s větrnyacutem potenciaacutelem Dalšiacute vyhodnoceniacute vyacutenosnosti větrneacute elektraacuterny probiacutehaacute již na samotneacutem miacutestě budouciacute instalace a to vyhodnoceniacutem lokaacutelniacutech podmiacutenek ovlivňujiacuteciacutech rychlost prouděniacute větru

123Měřeniacute v miacutestě umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny

Měřeniacute rychlosti se provaacutediacute anemometrem umiacutestěnyacutem v předpoklaacutedaneacute vyacutešce rotoru aby byly vyacutesledky co možnaacute nejviacutece reprezentativniacute Samotneacute měřeniacute se obvykle provaacutediacute v průběhu jednoho roku Tato informace se uvaacutediacute nejčastěji formou sloupcoveacuteho diagramu např obr 6 kteryacute udaacutevaacute procentuaacutelniacute vyacuteskyt rychlosti větru

Obr 6 Četnost vyacuteskytu rychlostiacute větru proloženyacutech funkciacute Weibull

ve třiacutedaacutech o šiacuteřce 1 ms Ze sloupcoveacuteho grafu se vyhodnocuje středniacute rychlost větru zpravidla během jednoho roku většinou tzv Weibullovyacutem rozděleniacutem (fialovaacute křivka na obraacutezku 6) Středniacute rychlost je daacutele použiacutevaacutena při vyacutepočtech vyacutekonu Weibullova funkce je pravděpodobnostniacute dvouparametrovaacute funkce kteraacute maacute tvar

p(v) = kA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ sdot

vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdoteminus vA

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

kde p(v) pravděpodobnost vyacuteskytu rychlosti v v rychlost větru [ms] k tvarovyacute parametr [-] A parametr měřiacutetka [ms]

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Čet

nost

vyacutes

kytu

[]

Rychlost větru [ms]

20

Rychlost větru je nejnižšiacute na zemskeacutem povrchu a zvyšuje se se stoupajiacuteciacute vyacuteškou tento jev je spojen s vyacuteskytem mezniacute vrstvy při povrchu Vyacutekon větrneacute elektraacuterny je

Obr 7 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

v podstatě uacuteměrnyacute třetiacute mocnině středniacute rychlosti větru Hlavniacute snahou je tedy umiacutestit rotor co možnaacute nejvyacuteše Tento jev je ilustrovaacuten uvedenyacutem vertikaacutelniacutem rychlostniacutem profilem na obraacutezku 7 Z uvedeneacuteho grafu je patrneacute zvyacutešeniacute rychlosti až do vyacutešky 40 - 50 m Kvantitativně tento jev shrnuje obecnaacute tabulka 1 v přiacutepadě je uvažovaacuten nominaacutelniacute vyacutekon při vyacutešce osy rotoru 10 m potom je růst vyacutekonu s rostouciacute vyacuteškou naacutesledujiacuteciacute

Vyacuteška osy rotoru

Zvyacutešeniacute vyacutekonu

10 m 0

19 m 41

27 m 75

36 m 100

46 m 125

Tab 1 Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru [4]

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vyacutešk

a [m

]

Rychlost větru[ms]

21

124 Miacutestniacute faktory ovlivňujiacuteciacute rychlost větru

Rychlost větrneacuteho prouděniacute neovlivňujiacute pouze globaacutelniacute faktory jako je topografie geografickeacute umiacutestěniacute a dalšiacute faktory širšiacuteho charakteru Vertikaacutelniacute profil rychlosti větru se měniacute takeacute s drsnostiacute povrchu turbulenciacute za překaacutežkami Zvyacutešenaacute drsnost povrchu v protisměru převlaacutedajiacuteciacuteho větru může zvyacutešit jeho rychlost v ose rotoru s naacuteslednyacutem zvyacutešeniacutem vyacutekonu [2] Pro kvantitativniacute vyhodnoceniacute vlivu drsnosti povrchu na rychlost větru se použiacutevaacute vztah mezi vyacuteškami osy rotoru a odpoviacutedajiacuteciacutemi rychlostmi větru a vypadaacute takto

kde v rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce osy rotoru h vref rychlost větru odpoviacutedajiacuteciacute vyacutešce rotoru href α exponent jehož hodnota vyjadřuje charakter drsnosti

Pro danou lokalitu je potřebneacute naleacutezt hodnotu exponentu α z vyacutesledků měřeniacute rychlosti větru Typickeacute obecneacute hodnoty exponentů pro větrnou elektraacuternu s referenčniacute vyacuteškou 35 m jsou v tabulce 2

Drsnost povrchu α [ - ]

Faktor zvyacutešeniacute [ - ]

Velmi niacutezkaacute (klidnaacute hladina moře)

010 145

Niacutezkaacute (louky pole)

016 182

Průměrnaacute (les křoviny)

020 212

Vyššiacute (vesnice roztroušeneacute domy)

028 286

Vysokaacute (město s vysokyacutemi budovami)

040 450

Tab 2 Hodnoty exponentu α [4]

Dalšiacutem důležityacutem faktorem ovlivňujiacuteciacutem rychlost větru a chod větrneacute elektraacuterny je turbulence Turbulence je charakterizovanaacute rychlyacutemi změnami rychlosti větru a je měřena standardniacute odchylkou σ od středniacute hodnoty okamžiteacute rychlosti větru zaznamenanyacutech každeacute 2 sekundy po dobu 10 minut Intenzita turbulence je definovanaacute ke středniacute hodnotě rychlosti větru vstr je často definovanaacute jako

v = vref sdothhref

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

α

22

Intenzitu turbulence v miacutestě zamyacutešleneacute instalace větrneacute elektraacuterny je potřebneacute porovnat se standarty mezinaacuterodniacute elektrotechnickeacute komise IEC Tyto standarty pomaacutehajiacute při určeniacute zda turbulence v daneacutem miacutestě nejsou mimo předepsaneacute limity Pokud hodnoty intenzity turbulenciacute přesahujiacute limity způsobily by zkraacuteceniacute životnosti větrneacute elektraacuterny hlavně vlivem uacutenavy konstrukčniacutech materiaacutelů IEC standarty použiacutevajiacute 2 hodnoty

vysokyacute horniacute limit VHL = 012middotvstr+095 niacutezkyacute horniacute limit NHL = 012middotvstr+060

Je-li intenzita turbulence menšiacute než niacutezkyacute horniacute limit je lokalita vhodnaacute pro instalaci větrneacute elektraacuterny Pokud je intenzita většiacute než vysokyacute horniacute limit vyacutestavba neniacute vhodnaacute Turbulence děliacuteme podle druhu vzniku na mechanickou termickou a dynamickou Mechanickaacute turbulence vznikaacute třeniacutem proudiacuteciacuteho vzduchu o nerovnyacute zemskyacute povrch Intenzita mechanickeacute turbulence je zaacutevislaacute na členitosti tereacutenu (stromy les budovy) a na rychlosti větru Zvlaacuteštniacutem druhem mechanickeacute turbulence je turbulence orografickaacute Orografickaacute turbulence vznikaacute důsledkem prouděniacute vzduchu přes horskeacute překaacutežky Tato turbulence vznikaacute i při stabilniacutem zvrstveniacute vzduchu v důsledku vyacuterazneacute deformace vzdušneacuteho proudu V zaacutevětřiacute horskyacutech hřebenů vznikajiacute vertikaacutelniacute pohyby o rychlosti plusmn 10 ms Jeseniacuteky jsou u pilotů kluzaacuteku vyhledaacutevaacuteny praacutevě kvůli časteacutemu vyacuteskytu orografickeacute turbulence kteraacute jim dovoluje provaacutedět přelety v řaacutedech stovek kilometrů Termickaacute turbulence vznikaacute v důsledku labilniacuteho zvrstveniacute atmosfeacutery při prouděniacute studeneacuteho vzduchu nad teplejšiacute povrch nebo v důsledku nerovnoměrneacuteho ohřevu zemskeacuteho povrchu Dynamickaacute turbulence vznikaacute v oblastech velkeacuteho střihu větru Nejčastěji je spojena s oblastmi proudoveacuteho toku

I = σvstr

23

2Elektrolyacuteza

Viacutece než 400 průmyslovyacutech vodniacutech elektrolyzeacuterů bylo v provozu na začaacutetku devatenaacutecteacuteho stoletiacute V roce 1939 byla vybudovaacutena prvniacute velkaacute tovaacuterna v Lonze využiacutevajiacuteciacute vodniacute elektrolyacutezu kteraacute produkovala 10000 Nm3 H2 hod Převaacutežnaacute většina světově produkovaneacuteho vodiacuteku je spotřebovaacutena v petrochemickeacutem průmyslu a při vyacuterobě amoniaku a methanolu Elektrolytickyacute vodiacutek je využiacutevaacuten v menšiacutech aplikaciacutech zvlaacuteště tam kde je požadovaacutena vysokaacute čistota vodiacuteku V potravinaacuteřskeacutem průmyslu je vodiacutek použiacutevaacuten pro zvyacutešeniacute stupně nasyceniacute u tuků a olejů zvyšuje tak jejich bod taacuteniacute a odolnost vůči oxidaci V elektronickeacutem průmyslu je použiacutevaacuten jako redukčniacute činidlo v epitaxaacutelniacutem růstu polysilikonu a ve vyacuterobě integrovanyacutech obvodů V jaderneacutem průmyslu vodiacutek zastupuje roli čističe kysliacuteku kdy odstraňuje kysliacutekoveacute stopy ktereacute mohou způsobit korozniacute poškozeniacute materiaacutelu Maleacute množstviacute vodiacuteku je použiacutevaacuteno takeacute ve farmaceutickeacutem sklaacuteřskeacutem a plasma průmyslu Diacuteky sveacute dobreacute tepelneacute vodivosti je použiacutevaacuten jako chladiacuteciacute meacutedium v elektrickyacutech generaacutetorech elektraacuteren Proces elektrolyacutezy je elektrochemickyacute rozpad molekuly vody na jednotliveacute složky jmenovitě vodiacutek a kysliacutek [7] Podle druhu elektrolytu použiacutevaneacuteho pro přenos elektrickeacuteho proudu v procesu děliacuteme elektrolyacutezu vody na 4 zaacutekladniacute typy Na začaacutetku 19 stoletiacute použiacutevaly prvniacute zařiacutezeniacute na elektrolyacutezu jako elektrolyt kyselinu později bylo od teacuteto metody odstoupeno převaacutežně pro probleacutemy s koroziacute Elektrolyzeacutery použiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolytickou membraacutenu jsou druhyacutem typem Použitaacute membraacutena vodiacute protony a nepropouštiacute kysliacutek Tato technologie je relativně novaacute takže v současneacute době neexistujiacute velkeacute aplikace tohoto druhu elektrolyacutezy Dalšiacutem typem elektrolyacutezy je tzv parniacute elektrolyacuteza probiacutehajiacuteciacute při vysokeacute teplotě použiacutevajiacuteciacute keramickyacute elektrolyt vodiacuteciacute kysliacutekovyacute ion tento způsob maacute potenciaacutel pro vysokou uacutečinnost v současneacute době prokaacutezanou pouze laboratorně V dnešniacute době je nejrozšiacuteřenějšiacute elektrolyacuteza použiacutevajiacuteciacute alkalickyacute elektrolyt nejčastěji hydroxid draselnyacute

21Princip elektrolyacutezy

Při vedeniacute stejnosměrneacuteho proudu mezi dvěma elektrodami ve vodě vznikaacute vodiacutek kysliacutek a teplo podle naacutesledujiacuteciacute rovnice

Čistaacute voda je ovšem špatně vodivaacute proto se musiacute byacutet přidaacuten vodivyacute elektrolyt kteryacute zajistiacute technicky akceptovatelnou uacuteroveň potřebneacuteho napětiacute Elektrickeacute napětiacute přivedeneacute na elektrody musiacute přesaacutehnout minimaacutelniacute hodnotu tak aby reakce proběhla Hodnota tohoto napětiacute je určena Gibbsovou entalpiiacute rozkladu vody a je funkciacute tlaku a teploty Za standardniacutech podmiacutenek (teplota 25 degC tlak 1 bar) je to 123 V Teoretickaacute energie potřebnaacute pro průběh elektrolyacutezy se vyjadřuje pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vyacuterazu

kde ΔH změna entalpie reakce ΔG změna Gibbsovy volneacute energie T teplota a ΔS změna entropie Změna entalpie při standardniacutech podmiacutenkaacutech je 2858 kJmol Změna Gibbsovy volneacute energie je při standardniacutech podmiacutenkaacutech 2372 kJmol To znamenaacute

H2O⎯rarr⎯ H2 +12O2

ΔH = ΔG +T sdot ΔS

24

že 2372 kJ mol z 2858 kJmol musiacute byacutet dodaacuteno elektrickyacutem proudem a zbylaacute čaacutest může byacutet dodaacutena elektrickyacutem proudem nebo teplem V reaacutelnyacutech podmiacutenkaacutech pro niacutezkoteplotniacute elektrolyacutezy je však veškeraacute potřebnaacute energie dodaacutena elektrickyacutem proudem [8] Dalšiacute termodynamickou charakteristikou elektrolyacutezy je reverzibilniacute napětiacute Vyjadřuje minimaacutelniacute elektrickyacute potenciaacutel potřebnyacute k elektrolytickeacute reakci při standardniacutech podmiacutenkaacutech se rovnaacute 123 V

kde 2 je počet elektronů potřebnyacutech k rozděleniacute molekuly vody a F je Faradayova konstanta Termoneutraacutelniacute napětiacute je napětiacute při ktereacutem by pracoval dokonale efektivniacute člaacutenek v přiacutepadě že veškereacute potřebnaacute energie je dodaacutevaacutena elektrickyacutem proudemPro standardniacute podmiacutenky se rovnaacute 148 V a je vyjaacutedřeno naacutesledujiacuteciacutem vztahem

Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem menšiacutem než je napětiacute reverzibilniacute nedojde k rozkladu molekuly vody Pokud člaacutenek pracuje s napětiacutem v rozmeziacute mezi reverzibilniacutem a termoneutraacutelniacutem napětiacute elektrolytickyacute proces je endotermickyacute Je potřeba dodat teplo pro rozpad molekuly vody Napětiacute většiacute než termoneutraacutelniacute napětiacute maacute za naacutesledek že proces je exotermickyacute a veškeraacute energie je dodaacutena z elektrickeacuteho proudu Přidaneacute teplo je potřeba odstranit Reversibilniacute i termoneutraacutelniacute napětiacute jsou funkcemi teploty tlaku a složeniacute elektrolytu [8] Zaacutekladniacutemi čaacutestmi člaacutenku na vodniacute elektrolyacutezu je katoda anoda a oddělovač Katoda musiacute byacutet odolnaacute korozi umiacutestěnaacute v elektrolytu s redukčniacutem potenciaacutelem Katoda musiacute byacutet dobryacute vodič a miacutet strukturaacutelniacute celistvost Elektrody jsou od sebe odděleny membraacutenou nepropouštějiacuteciacute plyny

22Typy elektrolyacutezy

221Alkalickaacute elektrolyacuteza

Alkalickaacute elektrolyacuteza je v současnosti komerčně nejpoužiacutevanějšiacute elektrolyacutezou Tři největšiacute elektrolyzeacutery byly instalovaacuteny ve 40 letech na dodaacutevky vodiacuteku do zařiacutezeniacute na vyacuterobu amoniaku a naacuteslednou vyacuterobu hnojiva Tyto elektrolyzeacutery jsou umiacutestěny v Indii (De Nora) Norsku (Norsk-Hydro) a Egyptě (Demag) Obraacutezek 8 scheacutematicky zobrazuje alkalickyacute elektrolytickyacute člaacutenek

Erev =ΔG2 sdotF

Etn =ΔH2 sdotF

25

Obr 8 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [8]

V alkalickeacutem člaacutenku probiacutehaacute naacutesledujiacuteciacute zjednodušenaacute reakce

V elektrolytu 2H2O⎯rarr⎯ 2H + + 2OH minus

Na katodě 2H + + 2eminus ⎯rarr⎯ H2

Na anodě 2OH minus ⎯rarr⎯ 1

2+ H2O + 2eminus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ H2 +O2

Alkalickaacute elektrolyacuteza probiacutehaacute při teplotě kolem 80degC a při tlaku v rozmeziacute 1 až 30 barů Pro průběh elektrolyacutezy je zapotřebiacute zajistit plynulyacute pohyb hydroxidovyacutech ionů (OH-) z katody na anodu ale zabraacutenit smiacutechaacuteniacute produkovanyacutech plynů Tyto požadavky splňuje tzv separaacutetor (membraacutena nebo clona) Separaacutetorje umiacutestěn mezi elektrody a diacuteky svyacutem charakteristickyacutem vlastnostem propouštiacute hydroxidoveacute iony zatiacutemco zabraňuje v pronikaacuteniacute jednotlivyacutech plynů Voda je obvykle přidaacutevaacutena do cirkulujiacuteciacuteho elektrolytu je to takeacute způsob jak odstranit odpadoveacute teplo z reakce a kontrolovat teplotu procesu Tradičniacute alkalickeacute elektrolyzeacutery jsou konstruovaacuteny pomociacute tzv zero gap design (naacutevrh bez mezery) kde anoda i katoda jsou umiacutestěny do bezprostředniacute bliacutezkosti separaacutetoru Umiacutestěniacute obou elektrod bliacutezko sebe maacute za naacutesledek sniacuteženiacute ohmickyacutech ztraacutet v elektrolytu Pokud se při elektrolyacuteze vytvaacuteřiacute bublinky plynů jsou transportovaacuteny do zadniacute strany elektrod skrze mezery v perforovanyacutech elektrodaacutech a tiacutem paacutedem nebudou blokovat proud ionů mezi elektrodami Vodiacutek je ziacuteskaacutevaacuten na katodaacutech jeho čistota je až 98 objemovyacutech kde jedinyacutemi nečistotami jsou kysliacutek a voda Vodiacutek může byacutet daacutele čištěn až na koncentraci teacuteměř 100 a to odstraněniacutem kysliacuteku v katalytickeacutem deoxideacuteru a vody v sušičce Těmito procedurami ovšem ztratiacuteme 5-10 celkoveacute produkce vodiacuteku Je potřeba si tuto ztraacutetu uvědomit při požadavciacutech na 100 čistyacute vodiacutek

26

Na obraacutezku 9 je zjednodušenyacute diagram průmysloveacuteho uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy Vodiacutek a kysliacutek opouštějiacute proces kde dochaacuteziacute k elektrochemickeacute disociaci vody odděleně přes naacutedoby HV a OV kde jsou odstraňovaacuteny zbytky elektrolytickeacuteho roztoku Elektrolyt a plyny jsou daacutele ochlazeny Z naacutedob pokračujiacute přes filtry HF A OF k odstraněniacute stop po elektrolytu Kysliacutek je uložen nebo spotřebovaacuten v dalšiacutech aplikaciacutech Vodiacutek může byacutet takeacute použiacutet ihned po průchodu filtry nicmeacuteně na obraacutezku 9 prochaacuteziacute dalšiacute čistiacuteciacute sekciacute Čistiacuteciacute sekce se sklaacutedaacute z deoxideacuteru kde dochaacuteziacute ke spalovaacuteniacute kysliacuteku obsaženeacuteho ve vodiacuteku na vodniacute paacuteru kteraacute je daacutele odstraněna v sušičce

Obr 9 Průmysloveacute uspořaacutedaacuteniacute alkalickeacute elektrolyacutezy [7]

222Elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute membraacutenu

Kyseleacute roztoky nejsou v dnešniacute době přiacuteliš použiacutevaacuteny v průmysloveacute elektrolyacuteze vody ale i přesto nabiacutezejiacute alternativu k tekutyacutem alkalickyacutem elektrolytům Polymerniacute membraacuteny se vyznačujiacute velmi dobrou vodivostiacute protonů a špatnou vodivostiacute elektronů Polymerniacute membraacutena tak umožňuje tok protonů mezi elektrodami a zaacuteroveň zabraňuje stejneacutemu pohybu elektronů Elektrony musiacute použiacutet vnějšiacute obvod pro přechod mezi elektrodamiPro kyselyacute elektrolyt vypadaacute rovnice elektrolyacutezy naacutesledovně

Katoda 2H 3O + 2eminus ⎯rarr⎯ 2H2O + H2

Anoda 3H2O⎯rarr⎯ 2H 3O+ +O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

27

Obr 10 Scheacutema elektrolyacutezy s polymerniacute membraacutenou

Polymerniacute membraacutena zastupuje roli jak separaacutetoru tak elektrolytu Většina materiaacutelu membraacuten je založena na sulfonovanyacutech fluoropolymerech k vedeniacute protonů Nejznaacutemějšiacute materiaacutelem membraacuten je tzv Nafionreg kteryacute byl vyvinut společnostiacute Dupont Sulfonoveacute kyseliny jsou vysoce hydrofilniacute (přitahuje vodu) na druhou stranu fluropolymer je hydrofobniacute (odpuzuje vodu) Uvnitř hydratovanyacutech oblastiacute se H+ iony (protony) mohou relativně volně pohybovat tedy vytvaacuteřet zřeďovaneacute kyseliny H+ iony se mohou pohybovat na kraacutetkeacute vzdaacutelenosti i mimo hydratovaneacute oblasti pomociacute podporujiacuteciacutech dlouhyacutech molekulovyacutech struktur Tento pohyb je mnohem obtiacutežnějšiacute Hydratovanaacute membraacutena je tedy jeden z důležityacutech faktorů usnadňujiacuteciacute pohyb protonů a tiacutem paacutedem celkovou miacuteru elektrolyacutezy Horniacute limit teploty pro vyacuteměnu elektronů membraacutenou je okolo 125-150 degC ale většina elektrolyzeacuterů pracuje v režimu s tekutou vodou při teplotě cca 80 degC Vyššiacute pracovniacute teploty ktereacute by zlepšily kinematiku reakce můžeme dosaacutehnout diacuteky novyacutem polymerniacutem materiaacutelům nebo keramickyacutem materiaacutelům vodiacuteciacutem protony Vyššiacute teplota ovšem maacute za naacutesledek generaci většiacuteho množstviacute tepla Teplo musiacute byacutet odstraněno pomociacute cirkulace dostatečneacuteho množstviacute vody podeacutel anodoveacute elektrody člaacutenku Elektrody jsou většinou tvořeny tenkou vrstvou platinoveacuteho katalyzaacutetoru připevněneacuteho k membraacuteně Platina je považovaacutena za nejlepšiacute katalyzaacutetor jak pro anodu tak katodu diacuteky svyacutem termodynamickyacutem a kinetickyacutem vlastnostem Platina je nejnaacutekladnějšiacute čaacutesti elektrolytickyacutech člaacutenků i přes to že se množstviacute použiacutevaneacute platiny značně sniacutežilo [9] Elektrolyacuteza s pevnou membraacutenou pracuje s vyššiacute proudovou hustotou než alkalickaacute elektrolyacuteza I přes vyššiacute ceny materiaacutelů je pro ně potřebnaacute menšiacute plocha člaacutenků pro produkci stejneacuteho množstviacute vodiacuteku než pro alkalickeacute člaacutenky

28

223Parniacute elektrolyacuteza

Parniacute elektrolyacuteza probiacutehaacute za mnohem vyššiacute teploty než předešleacute typy typicky je to kolem 900-1000 degC a voda je do procesu přivaacuteděna jako paacutera Elektrolyt je vyroben z pevneacuteho keramickeacuteho materiaacutelu kteryacute vede kysliacutekoveacute iony Vysokaacute provozniacute teplota je nezbytnaacute pro keramickyacute materiaacutel aby byl dostatečně iontově vodivyacute Parniacute elektrolyzeacutery dodaacutevajiacute velkou čaacutest potřebneacute energie na elektrolyacutezu pomociacute tepla z paacutery miacutesto elektřiny [9] Principiaacutelně funguje stejně jako elektrolyacuteza využiacutevajiacuteciacute polymerniacute elektrolyt Pevnyacute keramickyacute elektrolyt dovoluje kysliacutekovyacutem ionům prochaacutezet materiaacutelem od katody k anodě zatiacutemco zabraňuje pohybu elektronů ktereacute se přemisťujiacute externiacutem obvodem Keramickyacute elektrolyt takeacute zabraňuje promiacutechaacutevaacuteniacute vznikajiacuteciacutech plynů Na obraacutezku 11 je scheacutematicky zobrazen princip parniacute elektrolyacutezy

Obr 11 Princip parniacute elektrolyacutezy [9]

Zaacutekladniacute reakce probiacutehaacute v elektrodaacutech a odlišuje se od předešlyacutech způsobů elektrolyacutezy Celkovaacute reakce rozpadu vody zůstaacutevaacute nezměněna

Katoda H2O + 2eminus ⎯rarr⎯ H2 +O2minus

Anoda O2minus ⎯rarr⎯ 1

2O2 + 2e

minus

Celkovaacute reakce 2H2O⎯rarr⎯ 2H2 +O2

Vodniacute paacutera je je přivaacuteděna do komory u anody kde reaguje s elektrony a rozpadne se na vodiacutekoveacute a kysliacutekoveacute ionty Po přechodu k anodě kysliacutekoveacute ionty uvolňujiacute elektrony a tak vytvořiacute plynnyacute kysliacutek

23Uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů

Za uacutečelem ziacuteskaacuteniacute požadovaneacuteho množstviacute vodiacuteku jsou elektrolyzeacutery tvořeny většiacutem počtem elektrolytickyacutech člaacutenků nebo paacuterů elektrod ktereacute mohou byacutet spojeny seacuteriově nebo paralelně Existujiacute dva druhy uspořaacutedaacuteniacute člaacutenků a to monopolaacuterniacute (naacutedržovyacute) a bipolaacuterniacute

29

V monopolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute je každaacute elektroda spojena a je napaacutejena externiacutem proudem Elektrody jsou jedno-polaacuterniacute každaacute je katoda nebo anoda Člaacutenky jsou spojeny paralelně tudiacutež napětiacute je stejneacute jak v jednotlivyacutech člaacutenciacutech tak v celeacute naacutedrži bez ohledu na celkovyacute počet člaacutenků Napětiacute je typicky kolem 12 - 2 V Tato konfigurace je jednoduchaacute robustniacute a snadnaacute na uacutedržbu Použiacutevajiacute se relativně levneacute čaacutesti a jednotliveacute buňky jsou snadno izolovatelneacute pro provedeniacute uacutedržby Ze sveacute podstaty maacute většiacute spotřebu energie diacuteky poklesu potenciaacutelu v člaacutenciacutech a je nutneacute použiacutevat vysokyacute proud pro přiměřenou produkci [9]

Obr12 Princip monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute [9]

V bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute jsou elektrody bipolaacuterniacute každaacute elektroda je na jedneacute straně anoda a na druheacute katoda s vyacutejimkou dvou koncovyacutech elektrod z nichž je jedna anoda a druhaacute katoda Buňky jsou spojeny elektricky paralelně a hydraulicky seacuteriově jak je zobrazeno na obraacutezku 13 Proud teče z jedneacute buňky do druheacute a tiacutem paacutedem je stejnyacute pro všechny buňky Celkoveacute napětiacute člaacutenku je rovno součtu napětiacute jednotlivyacutech buněk Každeacute napětiacute zaacutevisiacute na proudoveacute hustotě což je proud na jednotku plochy elektrody a na teplotu elektrolyacutezy V praxi je volt-ampeacuterovaacute charakteristika elektrolyzeacuteru unikaacutetniacute zaacutevisejiacuteciacute na aktivitě elektrody tepelneacute uacutečinnosti a dalšiacutech konstrukčniacutech charakteristikaacutech elektrolyzeacuteru [7]

Obr 13 Princip bipolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute zdroj [9]

V současneacute době neexistujiacute elektrolyzeacutery vyvinuty speciaacutelně pro použitiacute s větrnyacutemi elektraacuternami nicmeacuteně rychlaacute reakce elektrochemickeacuteho systeacutemu na změny energie je dělaacute vhodnyacutemi pro zaacutetěž vyskytujiacuteciacute se při tomto spojeniacute

30

s větrnyacutemi rotory Vyacutepadky dodaacutevek elektřiny však mohou způsobit probleacutemy s koroziacute na elektrodaacutech pokud nejsou chraacuteněny polarizačniacutem proudem v přiacutepadě vyacutepadku dodaacutevky

24Uacutečinnost elektrolyacutezy

V literatuře existuje nejednotnost vyacutekladu co vlastně uacutečinnost elektrolyacutezy je a jak se určuje Autoři zmiňujiacute uacutečinnost energetickou uacutečinnost elektrickou uacutečinnost proudovou uacutečinnost elektrochemickou uacutečinnost Daacutele takeacute zaacutevisiacute zda se jednaacute o uacutečinnost celeacuteho systeacutemu nebo jednotlivyacutech člaacutenků[9][7]Nejobecnějšiacute definice energetickeacute uacutečinnosti elektrolytickeacuteho procesu je

Energetickaacute uacutečinnost = Energetickyacute vyacutestup Celkovaacute dodanaacute energie

V přiacutepadě konvenčniacute vodniacute elektrolyacutezy je energetickyacute vstup limitovaacuten velikostiacute dodaneacute elektrickeacute energie proto je energetickaacute uacutečinnost definovaacutena poměrem energie kteraacute může byacutet obnovena reoxidaciacute vodiacuteku a kysliacuteku za vzniku vody (vyacutehřevnost vodiacuteku) a energie dodaneacute systeacutemu prostřednictviacutem elektrickeacuteho proudu

Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy = Vyacutehřevnost Celkovaacute vstupniacute elektrickaacute energie

Podle teacuteto definice může uacutečinnost přesaacutehnout hodnotu 100 jelikož nebere v uacutevahu energii dodanou do procesu teplem Toto je přiacutepad kdy elektrolyzeacuter pracuje pod termoneutraacutelniacutem napětiacutem když teplo okoliacute je použito jako energetickyacute zdroj a definice jej nebere v uacutevahu [9] Na uacuterovni člaacutenku se energetickaacute uacutečinnost elektrolyacutezy vyjadřuje jako poměr termoneutraacutelniacuteho napětiacute UTN (při standardniacutech podmiacutenkaacutech UTN = 148 V) vůči skutečneacutemu napětiacute člaacutenku U vynaacutesobeno uacutečinnostiacute proudu Uacutečinnost proudu φP je jednoduše poměr počtu elektronů teoreticky potřebnyacutech pro pro vyacuterobu daneacuteho množstviacute vodiacuteku ku skutečneacutemu počtu elektronů dodanyacutech elektrickyacutem proudem potřebnyacutech k vyacuterobě daneacuteho množstviacute vodiacuteku Tato uacutečinnost je typicky kolem 999 Energetickaacute uacutečinnost vodniacute elektrolyacutezy ηel je tedy vyjaacutedřena naacutesledujiacuteciacutem vztahem

V zaacutevislosti na zvoleneacutem typu elektrolyacutezy a pracovniacutemi podmiacutenkami se uacutečinnost pohybuje v rozmeziacute 75 - 95 Takto vysokeacute hodnoty uacutečinnosti platiacute pro elektřinu jako zdroj energie Pokud ovšem vezmeme elektřinu jako energetickyacute vyacutestup jineacuteho energetickeacuteho zdroje jako např uhliacute zemniacute plyn nebo zdroje obnovitelneacute energie tak celkoveacute uacutečinnost vyacuteroby vodiacuteku elektrolyacutezou klesne na hranici 30

25Napětiacute člaacutenků

Spotřeba energie elektrolyacutezy je přiacutemo spojena s napětiacutem na člaacutenku a nepřiacutemo s proudovou uacutečinnostiacute Jak už bylo zmiacuteněno dřiacuteve proudovaacute uacutečinnost se bliacutežiacute k hodnotě 100 tzn že důležityacutem parametrem při navrhovaacuteniacute elektrolytickyacutech člaacutenku je napětiacute na člaacutenku

ηel =UTN

UsdotϕP

31

Elektrolyacuteza vody za skutečnyacutech podmiacutenek vyžaduje napětiacute U ktereacute je podstatně vyššiacute než vratneacute napětiacute Urev Musiacute překonat elektrickyacute odpor v elektrodaacutech v elektrolytu mezi elektrodami a separaacutetoru Daacutele musiacute pokryacutet přepětiacute na elektrodaacutech Napětiacute na člaacutenku pak může byacutet vyjaacutedřeno

kde ηK je přepětiacute na katodě ηA je přepětiacute na anodě j je proudovaacute hustota a R je suma elektrickyacutech odporů založenaacute na aktivniacute ploše elektrod Elektrickyacute odpor v elektrodaacutech zaacutevisiacute na typu složeniacute materiaacutelu a teplotě Přepětiacute je určeno aktivitou plochy elektrod složeniacute elektrolytu a teplotou Ohmickyacute odpor spojenyacute s pohybem elektronů je v relativně nevyacuteznamnyacute v bipolaacuterniacutem uspořaacutedaacuteniacute představuje ale nezanedbatelnyacute vliv v přiacutepadě monopolaacuterniacuteho uspořaacutedaacuteniacute elektrolyzeacuterů [9]

26Vliv provozniacutech podmiacutenek

261Teplota

Zvyacutešeniacute teploty elektrolyacutezy snižuje vratneacute napětiacute UREV a tiacutem paacutedem i celkovou energii vstupujiacuteciacute do procesu Pokud teplota vzroste z 250degC na 1000degC vstupniacute elektrickaacute energie může byacutet sniacutežena o 25 Nicmeacuteně celkovaacute energie potřebnaacute k provedeniacute elektrolyacutezy při vysokeacute teplotě je o něco vyššiacute Vyacutehoda vysokeacute teploty v elektrolytickeacutem procesu je použitiacute tepla jako energetickeacuteho vstupu a tiacutem zvyacutešeniacute uacutečinnosti diacuteky zvyacutešeneacute kinetice procesu Pokud je zdroj tepla snadno dostupnyacute je všeobecně mnohem levnějšiacute než elektřina tento fakt pak může značně ovlivnit celkovou ekonomiku procesu [9]

262Tlak

Tlak při procesu elektrolyacutezy maacute takeacute vliv na energetickeacute požadavky pro vyacuterobu elektrolytickeacuteho vodiacuteku Vratneacute napětiacute při daneacute teplotě T a tlaku p může byacutet určeno z Nernstovi rovnice jako

kde R označuje univerzaacutelniacute plynovou konstantu n počet elektronů potřebnyacutech pro rozděleniacute molekuly vody (n=2) F pro Faradayovu konstantu a aktivita jednotlivyacutech molekul Urev T p=1 vratneacute napětiacute při teplotě T [K] a standardniacutem tlaku p=1 bar Aktivizačniacute koeficienty vodiacuteku aH2 a kysliacuteku aO2 mohou byacutet ziacuteskaacuteny z poměru tlaku vůči atmosferickeacutemu tlaku aH2=pH2p a aO2=pO2p Daacute se předpoklaacutedat že pH2=pO2=p protože tlak na Urev T p=1 kysliacutekoveacute i vodiacutekoveacute straně je stejnyacute Daacutele aktivita vody je přibližně rovna 1 a tlak p=1 bar pak dojde ke zjednodušeniacute Nernstovi rovnice na tvar

Pro teplotu T=298K napětiacute roste s tlakem podle tabulky 3

U =Urev +ηK +ηA + j sdotR

UrevT p =UrevT p=1 +R sdotTn sdotF

lnaH2 sdot(aO2 )

05

aH2O

UrevT p =UrevT p=1 +3sdotR sdotT4 sdotF

ln p

32

Tlak p [bar] 10 30 50 100 200

Urev T p=1 [mV] 44 65 75 89 102

Tab 3 Zaacutevislost reversibilniacuteho napětiacute na tlaku [7]

Elektrolyzeacuter pracujiacuteciacute při tlaku 10 barů při 155V by potřeboval pouze 1608 V pro praacuteci při 200 barech založeno na teoretickeacute uacutevaze kdy (155 V + (102 mV - 44mV))= 162 V Vysokyacute tlak sice zvyšuje teoretickeacute vratneacute napětiacute pouze o paacuter procent i tak je staacutele vyacutehodneacute ho použiacutet ve skutečnyacutech elektrolyzeacuterech a to z důvodu sniacuteženiacute spotřeby energie a to diacuteky zvyacutešeneacute efektivitě (snižuje pracovniacute napětiacute) a vyššiacute dosažitelneacute proudoveacute hustotě Vysokyacute tlak daacutele redukuje velikost plynovyacutech bublinek na plochaacutech elektrod tiacutem zvyšuje vyacutekon buňky Vyacutehody tak převaacutežiacute lehkeacute zvyacutešeniacute teoretickeacuteho napětiacute Hlavniacutem důvodem pro použitiacute vysokotlakeacuteho procesu elektrolyacutezy je ovšem absence potřeby stlačovaacuteniacute vodiacuteku po jeho produkci a tiacutem paacutedem sniacuteženiacute naacutekladů Elektrolyzeacutery dokaacutežiacute zajistit zvyacutešeniacute tlaku při relativně maleacute potřebě energie Malyacute pokles energetickeacute uacutečinnosti procesu vyvaacutežiacute eliminaci kompresoru při dalšiacutem zpracovaacuteniacute vodiacuteku Vysokyacute tlak kolem 400 barů může způsobit mechanickeacute probleacutemy na elektrolyzeacuteru a tiacutem zvyacutešit investičniacute naacuteklady

27Celkovaacute spotřeba elektrolytickeacuteho člaacutenku

Spotřeba energie elektrolytickyacutem člaacutenkem může byacutet určena přiacutemyacutem způsobem z pracovniacuteho napětiacute člaacutenku U a proudoveacute uacutečinnosti φP Počet elektronů e- potřebnyacutech pro ziacuteskaacuteniacute jednoho kilogramu vodiacuteku z vodniacute elektrolyacutezy je bez ohledu na pracovniacute podmiacutenky fixniacute a to 26589 kAh Tato hodnota vychaacuteziacute z faktu že 2 elektrony jsou potřeba k vytvořeniacute jedneacute molekuly vodiacuteku z vody zbylaacute čaacutest je jednoduchaacute konverze jednotek zohledněniacutem molaacuterniacute hmotnosti vodiacuteku

Specifickaacute energie elektrolyzeacuteru K v kWhkg H2 pak může byacutet určena pomociacute naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

kde U je průměrneacute pracovniacute napětiacute jednoho člaacutenku a φi proudovaacute uacutečinnost Tato rovnice nezohledňuje energii potřebnou ke stlačeniacute vodiacuteku pokud je požadovaacuten tlak vyššiacute než kteryacute je na vyacutestupu z elektrolyzeacuteru Nezahrnuje ani malou čaacutest energie potřebnou k de-ionizaci vody a ke konverzi ze střiacutedaveacuteho na stejnosměrnyacute proud Každopaacutedně rovnice naacutem daacutevaacute dobrou představu o spotřebě energie pro samotnyacute elektrolyzeacuter V tabulce 4 jsou shrnuty zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

2eminus

H2

sdot 1000gH2

2016gH2 molH2

sdot 96487Cmol

sdot 1eminus

sdot 1kA1000C s

sdot 1h3600s

= 26589kAh

K = 26589 sdotUϕi

33

Alkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacutezaAlkalickaacute elektrolyacuteza El pevneacuteho polymeru

Parniacute el

Technologie Konvenčniacute al el

Moderniacuteal el

Inorganickaacutemembraacutenaal el

Pevnyacutepolymer

Vysoko tep lo tn iacute elektrolyzeacuter

Napětiacute člaacutenku [V] 18 - 22 15 - 25 16 - 19 14 - 20 095 - 13

P r o u d o v aacute hustota[Acm2]

013 - 025 02 - 20 02 - 10 10 - 40 03 - 10

Teplota [degC] 70 - 90 80 - 145 90 - 120 80 - 150 900 - 1000

Tlak [bar] 1 - 2 až do 120 až do 40 až do 400 900 - 1000

Elektrolyt 25 - 35 KOH

25 - 40 KOH

14 - 15KOH

Flurosulfonovaacutekyselina Keramickyacute

Uacute č i n n o s t člaacutenku [] 77 - 80 80 - 90 85 - 95 85 - 98 90 - 99

S p o t ř e b a energie [kWhNm3 H2]

43 - 49 38 - 43 36 - 40 36 - 40 25 - 35

Tab 4 Zaacutekladniacute vlastnosti jednotlivyacutech druhů elektrolyacutezy

34

3Metody uskladněniacute vodiacuteku

Z důvodu pokrytiacute denniacutech a sezonniacutech rozdiacutelů mezi dostupnostiacute energie a požadavky na tuto energii musiacute byacutet vodiacutek skladovaacuten Vodiacutek může byacutet skladovaacuten v plynneacute formě kapalneacute formě a takeacute jako hydrid kovu Vodiacutek je velmi lehkyacute plyn s malou hustotou To znamenaacute že maleacute množstviacute vodiacuteku zabiacuteraacute velkyacute objem Ciacutelem tedy je zvyacutešit objemovou hustotu vodiacuteku Klasickeacute oceloveacute vysokotlakeacute oceloveacute naacutedoby jsou plněny až na tlak 200 barů Naacutedoby vyrobeneacute ze zesiacutelenyacutech uhliacutekovyacutech vlaacuteken mohou teoreticky uklaacutedat vodiacutek při tlaku až 600 barů prakticky byl dosažen tlak asi 450 barů Ciacutelem automobiloveacuteho průmyslu je však hodnota 700 barů pro skladovaacuteniacute plynneacuteho vodiacuteku při běžneacutem použiacutevaacuteniacute v automobilech To však požaduje vyacutevoj novyacutech kompozitniacutech materiaacutelů ktereacute odolajiacute vysokeacutemu tlaku a nestanou se při styku s vodiacutekem křehkyacutemi S vyššiacutem tlakem roste hustota ale samotnaacute komprese je velmi komplikovanyacute nebezpečnyacute a drahyacute proces Zvyacutešeniacute hustoty vodiacuteku lze takeacute dosaacutehnout zkapalněniacutem nebo převedeniacutem do pevneacuteho stavu Hustota tekuteacuteho vodiacuteku je cca 708 kgm3 v porovnaacuteniacute s hustotou vodiacuteku v pevneacutem stavu a to 706 kgm3 Kondenzačniacute teplota vodiacuteku je při tlaku 1 bar -252degC z toho vyplyacutevaacute že proces zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je velmi energeticky naacuteročnyacute Tekutyacute vodiacutek se tak použiacutevaacute pokud je nezbytneacute zajistit vysokou hustotu napřiacuteklad pro kosmickeacute aplikace[10] Vodiacutek je takeacute schopen vytvaacuteřet hydridy s některyacutemi kovy Vodiacutek v molekulaacuterniacute podobě je absorbovaacuten do atomoveacute mřiacutežky kovů Objemovaacute hustota takoveacuteho vodiacuteku je pak na uacuterovni vodiacuteku kapalneacuteho ale pokud vezmeme v potaz i samotnou hmotnost kovů pak je hustota mnohem nižšiacute V současneacute době je nejvyššiacute dosažitelnaacute hustota jen přibližně 007 kg H2kg kovu při vysokeacute teplotě Vodiacutek v pevneacutem stavu je nejbezpečnějšiacute cesta jak uskladnit energii zvlaacuteště pro stacionaacuterniacute a mobilniacute aplikace Hlavniacutem probleacutemem pro uskladněniacute vodiacuteku v pevneacutem stavu je samotnaacute vaacuteha naacutedržiacute vysokaacute desorpčniacute energie niacutezkaacute kinetika desorpce dlouhaacute doba nabiacutejeniacute vysokyacute tlak a přenos tepla Vodiacutek může byacutet skladovaacuten jako plyn při vysokyacutech tlaciacutech jako kapalina v kryogenniacutech zaacutesobniacuteciacutech jako plyn chemicky vaacutezanyacute (např v hydridech kovů) Na obraacutezku 14 je uveden objem vodiacuteku a hmotnost celeacuteho zařiacutezeniacute vztaženaacute k zmiacuteněnyacutem způsobům skladovaacuteniacute a daacutele v porovnaacuteniacute s benziacutenem metanolem a uchovaacutevaacuteniacutem energie v bateriiacutech (vztaženeacute na energetickyacute ekvivalent 990 000 Btu (1 044 500 kJ))

35

Obr 14 Objemoveacute a hmotnostniacute porovnaacuteniacute paliv odpoviacutedajiacuteciacutech energetickeacutemu ekvivalentu 990000 Btu [12]

Nejlepšiacute cestou skladovaacuteniacute vodiacuteku je jeho uloženiacute ve formě uhlovodiacutekovyacutech paliv ačkoliv tato varianta vyžaduje dodatečnyacute systeacutem jeho extrahovaacuteniacute Niacutezkaacute hustota vodiacuteku ve formě plynneacute i kapalneacute maacute za naacutesledek takeacute niacutezkou hodnotu hustoty energie Danyacute objem vodiacuteku tedy obsahuje meacuteně energie než stejnyacute objem jinyacutech paliv Proto se napřiacuteklad zvyšuje relativniacute skladovaciacute objem naacutedrže pro dosaženiacute daneacute dopravniacute vzdaacutelenosti Použitiacutem vodiacuteku v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků vyrovnaacutevaacuteme podmiacutenky s ostatniacutemi palivy tiacutem že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vyššiacute oproti uacutečinnosti spalovaciacutech motorů takže bude zapotřebiacute meacuteně paliva a tiacutem i energie k dosaženiacute stejneacuteho energetickeacuteho vyacutesledku [12] Přes niacutezkou objemovou energetickou hustotu disponuje vodiacutek nejvyššiacutem poměrem energie k hmotnosti ze všech paliv Avšak tuto vyacutehodu obvykle zastiňuje velkaacute hmotnost zaacutesobniacuteku a naacutevaznyacutech zařiacutezeniacute Většina zaacutesobniacuteků vodiacuteku je značně rozměrnyacutech a těžkyacutech mnohem viacutec než použiacutevaneacute naacutedrže pro benziacuten

36

či naftu [12] Existujiacute i dalšiacute noveacute metody uskladněniacute vodiacuteku jako aktivovanyacute povrch uhliacuteku pomociacute skleněnyacutech mikrokuliček a komplexů polyhydridů Tyto technologie zvyšujiacute objemovou hustotu skladovaacuteniacute vodiacuteku jsou ovšem staacutele vyviacutejeny a v průmyslu zatiacutem nebyly implementovaacuteny [11]

31Skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacutem stavu

Měrnaacute akumulačniacute kapacita vodiacuteku v plynneacutem stavu zaacutevisiacute na skladovaciacutem tlaku Při skladovaacuteniacute za normaacutelniacutech podmiacutenek je i přes vysokeacute spalneacute teplo vodiacuteku akumulačniacute kapacita relativně niacutezkaacute a to asi 128 MJm3 Pokud se tlak zvyacutešiacute na 10 MPa akumulačniacute kapacita pak bude 1200 MJm3 [10] Stlačenyacute vodiacutek se uskladňuje v tlakovyacutech lahviacutech podobnyacutech těm ktereacute jsou použiacutevaacuteny pro stlačenyacute zemniacute plyn Většina tlakovyacutech zaacutesobniacuteků maacute vaacutelcovyacute tvar s půlkulovyacutemi vypuklyacutemi dny V současneacute době je snaha budovat zaacutesobniacuteky uspořaacutedaneacute za sebou a deformovat vaacutelcovyacute tvar pro zvětšeniacute užitečneacuteho objemu Otvory ve středu půlkulovyacutech den pak umožňujiacute průtok plynu do tlakoveacute naacutedoby a jsou osazeny regulaacutetory a zaacutekladniacutemi prvky řiacutezeniacute průtoku Jeden osazenyacute koncovyacute prvek působiacute primaacuterně jako uzaviacuteraciacute ventil ačkoli obsahuje i pojistnyacute ventil a může daacutele obsahovat i sniacutemače teploty a tlaku pro měřeniacute veličin stavu plynu v zaacutesobniacuteku Druheacute osazeniacute je pak již složityacutem zařiacutezeniacutem ktereacute se sklaacutedaacute ze solenoidoveacuteho nebo elektromagnetickeacuteho ventilu manuaacutelniacuteho uzaviacuteraciacuteho ventilu jednosměrneacuteho ventilu a tlakoveacuteho pojistneacuteho ventilu [12] Elektromagnetickyacute ventil uzaviacuteraacute zaacutesobniacutek a izoluje naacutedobu v přiacutepadě že zařiacutezeniacute je mimo provoz Odstavovaciacute ventil uzavře průtok plynu ze zaacutesobniacuteku jestliže je průtok přiacuteliš velkyacute (např praskne-li trubka) Manuaacutelniacute uzaviacuteraciacute ventil umožňuje aby obsah zaacutesobniacuteku byl uzavřen nebo vypuštěn manuaacutelně v přiacutepadě poruchy elektromagnetickeacuteho ventilu Jednosměrnyacute ventil umožňuje plněniacute zatiacutemco elektromagnetickyacute ventil je uzavřen Pojistnyacute tlakovyacute ventil (na obou konciacutech vaacutelce) vypouštiacute obsah zaacutesobniacuteku v přiacutepadě kdy je vystaven působeniacute vysokyacutech vnitřniacutech tlaků či vysokyacutech okolniacutech teplot (např vystaveniacute ohni) Termiacutenem bdquovysokotlakyacute plynldquo obvykle označujeme plyn s tlaky vyššiacutemi jak 207 barg (3 000 PSIg) a to v přiacutepadě kdy hovořiacuteme o skladovaacuteniacute plynů

37

Obr 15 Konstrukce laacutehve Typu 3 [12] Tlaky vyššiacute jak 2 barg (30 PSIg) představujiacute dostatečnou hrozbu zraněniacute člověka a proto i o nich můžeme v terminologii hovořit jako o vysokyacutech Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky plynu musiacute byacutet konstruovaacuteny z tlustostěnnyacutech vysokopevnostniacutech materiaacutelů a musiacute byacutet velice trvaleacute Zaacutesobniacuteky jsou klasifikovaacuteny do čtyř typů v zaacutevislosti na použiteacutem konstrukčniacutem materiaacutelu viz tabulka 5 Obecně lze řiacuteci že čiacutem meacuteně použiteacuteho kovu tiacutem menšiacute hmotnost zaacutesobniacuteku Z tohoto důvodu je obvykle u vodiacutekovyacutech aplikaciacute použiacutevaacuten typ 3 na obraacutezku 15 V budoucnu však pravděpodobně ziacuteskaacute vyacutesadniacute postaveniacute typ 4 Specifickaacute hmotnost pak zaacutevisiacute individuaacutelně na vyacuterobě daneacuteho typu Jako referenčniacute objem bereme 35 ft3(100 l) U oceloveacuteho zaacutesobniacuteku typu 1 je hmotnost zaacutesobniacuteku přibližně 100 kg u typu 3 65 kg a v přiacutepadě typu 4 je hmotnost zaacutesobniacuteku cca 30 kg [12]

Typ lahve

Popis Hmotnostikovkompozit

Typ 1 Laacutehev kompletně z oceli a hliniacuteku 1000

Typ 2 Laacutehev s kovovyacutem pruhem z oceli čiacute hliniacuteku a s obručemi z kompozitniacuteho materiaacutelu

5545

Typ 3 Laacutehev zcela zabalenaacute do kompozitniacuteho materiaacutelu s tenkyacutemi vrstvami z oceli či hliniacuteku

2080

Typ 4 Laacutehev zcela zabalenaacute v kompozitniacutem materiaacutelu s plastickyacutemi vrstvami

0100

Tab 5 Klasifikace vysokotlakyacutech lahviacute na vodiacutek

38

Typ 3 ziacuteskaacutevaacute nejviacutece pevnosti z kompozitniacuteho obalu kteryacute je navinut kolem vnitřniacute vložky Kompozit se sklaacutedaacute z vysokopevnostniacutech vlaacuteken (obvykle uhliacutekatyacutech) jež jsou stmelena pryskyřiciacute (např epoxid) viz obraacutezek 15 Kombinace vlaacuteken a pryskyřice použiacutevaneacute pro tyto kompozitniacute zaacutesobniacuteky zaručujiacute extreacutemně vysokou odolnost Povrch kompozitu je meacuteně odolnyacute než povrch kovu a je viacutece naacutechylnyacute k fyzikaacutelniacutemu poškozeniacute (střih abraze naacuteraz atd) či chemickeacutemu poškozeniacute (čpavek kyseliny atd) avšak meacuteně naacutechylnyacute ke korozi Vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky obvykle skladujiacute vodiacutek při 250 bar i když se zkoušejiacute zaacutesobniacuteky na provozniacute tlak 350 bar Současnyacute stav technologie jež je čaacutestečně ve stadiu vyacutevoje si dovoluje překračovat v testu roztrženiacute zaacutesobniacuteku hodnoty tlaku 1620 bar u zaacutesobniacuteku Typu 4 pak 700 bar Jakeacutekoliv plyny ktereacute se skladujiacute při těchto vysokyacutech tlaciacutech jsou extreacutemně nebezpečneacute a jsou schopny opouštět zaacutesobniacutek proudem plynu s explozivniacutemi uacutečinky sil nebo uvaacutedět do pohybu maleacute předměty jako projektily Neukotvenyacute zaacutesobniacutek se může změnit v raketu v přiacutepadě kdy plyn naacutehle začne proudit malyacutem otvorem Navzdory potenciaacutelniacutemu nebezpečiacute majiacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky velmi dobryacute stupeň bezpečnosti Provedeniacute zaacutesobniacuteku musiacute odpoviacutedat přiacutesnyacutem standardům a musiacute vydržet různeacute certifikačniacute testy Pro zajiacutemavost nesmiacute selhat během 13000 tlakovyacutech cyklech při 100 servisniacutem tlaku plus 5000 cyklů při 125 servisniacutem tlaku ani při 30 cyklech při 166 servisniacuteho tlaku Daacutele prochaacuteziacute testem na roztrženiacute zaacutesobniacuteku při 225 až 3 naacutesobku servisniacuteho tlaku Tlakovaacute laacutehev musiacute daacutele vydržet paacuted z vyacutešky naacuterazy naacuterazy kyvadlem a musiacute byacutet dokonce odolnaacute při vystaveniacute střelbě [12] Během vyacuteroby je každyacute zaacutesobniacutek vystaven hydrostatickyacutem tlakovyacutem testům a testům na těsnost vybraneacute zaacutesobniacuteky zadaneacute seacuterie jsou zkoušeny cyklickyacutemi a pevnostniacutemi testy uvedenyacutemi vyacutešeZaacutesobniacuteky jsou během vyacuteroby označeny je to jeden z nutnyacutech standardů vyacuteroby seacuteriovyacutem čiacuteslem servisniacutem a provozniacutem jmenovityacutem tlakem a datem zhotoveniacute U zaacutesobniacuteků jež nejsou vystavovaacuteny těžkyacutem externiacutem podmiacutenkaacutem a tlak plynu se pohybuje na jmenoviteacute hodnotě se očekaacutevaacute doba životnosti do 15 let nebo do 11 250 naplněniacute Inspekčniacute testy a testy těsnosti jsou rutinniacute součaacutesti uacutedržby Typickeacute mobilniacute aplikace použiacutevajiacute seacuterii zaacutesobniacuteků upevněnyacutech na společneacute rozvodneacute potrubiacute Při nominaacutelniacutem tlaku 250 bar systeacutem zaacutesobniacuteků vaacutežiacute asi čtyřikraacutet viacutece než srovnatelnyacute systeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute formě a zaujiacutemaacute viacutece než čtyřnaacutesobek prostoru V porovnaacuteniacute s benziacutenem je skladovaacuteniacute vodiacuteku v plynneacute formě patnaacutectkraacutet naacuteročnějšiacute prostorově a třiadvacetkraacutet hmotnostně Řešeniacute probleacutemu pak vyžaduje napřiacuteklad pokrytiacute 50 střechy autobusu zaacutesobniacuteky vodiacuteku aby byly nahrazeny staacutevajiacuteciacute naacutedrže nafty Navzdory tomuto objemu je celkovaacute hmotnost vodiacuteku jen 40 až 50 kg a je zanedbatelnaacute v porovnaacuteniacute s hmotnostiacute zaacutesobniacuteků a externiacuteho vybaveniacute Skladovaacuteniacute plynu při ještě většiacutem tlaku daacutevaacute menšiacute skladovaciacute objem ale celkovaacute hmotnost zaacutesobniacuteku se přiacuteliš neměniacute jelikož zaacutesobniacuteky musiacute byacutet robustnějšiacute Současnyacute stav (2012) pro tento typ skladovaacuteniacute je 350 bar a hmotnostniacutem poměru 113 u zaacutesobniacuteku typu 4 Komprese plynu je energeticky naacuteročnyacute proces Čiacutem vyššiacute koncovyacute tlak tiacutem většiacute množstviacute energie je potřeba Avšak přiacuterůstek energie potřebneacute k dosaženiacute vyššiacuteho tlaku klesaacute takže počaacutetečniacute uacutesek zůstaacutevaacute energeticky intenzivnějšiacute čaacutestiacute procesu komprimaceVyvaacuteženiacute přiacuterůstku (snižovaacuteniacute) hustoty plynu při vyššiacutech tlaciacutech se staacutevaacute důležitou ekonomickou otaacutezkou v hospodařeniacute s energiiacute při vyššiacutech uacuterovniacutech komprese Užitečnou cestou k pochopeniacute energetickyacutech naacutekladů

39

na komprimaci je způsob jejich vyjadřovaacuteniacute procentem energie na komprimaci z celkoveacute energie obsaženeacute v zaacutesobniacuteku vodiacuteku Za teacuteto podmiacutenky je přibližnaacute spotřeba 5 z celkoveacute energie laacutetky v zaacutesobniacuteku při komprimaci na 350 bar Přesneacute množstviacute energie je samozřejmě zaacutevisleacute na průtoku a uacutečinnosti použiteacuteho kompresoru Ke skladovaacuteniacute vodiacuteku v podobě stlačeneacuteho plynu se využiacutevajiacute předevšiacutem podzemniacute poreacutezniacute zaacutesobniacuteky kolektory solneacute sloje či skalniacute dutiny Anglie a Francie majiacute dlouhodobou zkušenost na poli podzemniacuteho uskladněniacute vodiacuteku Britskyacute chemickyacute koncern ICI uskladňuje vodiacutek v třikraacutet pročištěneacute solneacute sloji v Teeside Vodiacutek je v teacuteto 366 m hlubokeacute sloji natlakovaacuten na 50 barů Od 1957 do 1974 GAZ DE FRANCE uskladňoval městskyacute plyn s obsahem vodiacuteku 50 v kolektoru s objemem 330 milioacutenů m3 Maleacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky jsou bez vyacutejimky provedeny jako nadzemniacute zařiacutezeniacute pro stlačenyacute plyn V průmysloveacutem sektoru se již vyskytla standardizace typů Vyacutesledkem jsou vaacutelcoviteacute zaacutesobniacuteky s maximaacutelniacutem provozniacutem tlakem 5 MPa a 28 m v průměrech ktereacute jsou k dostaacuteniacute s naacutesledujiacuteciacutemi deacutelkami (či vyacuteškami) 73 m (max obsah při 45 MPa je 1 305 Nm3) 108 m (max obsah 2 205 Nm3) a 19 m (max obsah 4 500 Nm3) V tomto přiacutepadě vyacutepočty pro energetickyacute obsah v hmotnostniacute či objemoveacute jednotce včetně samotneacuteho zaacutesobniacuteku vedou na hodnoty 024 ndash 031 kWhkg respektive 0135 kWhl [12] Podzemniacute zaacutesobniacuteky obdobneacute podzemniacutem zaacutesobniacuteků zemniacuteho plynu (v podzemniacutech kavernaacutech ve vodonosnyacutech vrstvaacutech ve vytěženyacutech ložisciacutech ropy apod) Skladovaacuteniacute vodiacuteku v těchto zaacutesobniacuteciacutech bude ovšem asi 3 x dražšiacute než skladovaacuteniacute zemniacuteho plynu převaacutežně kvůli menšiacute objemoveacute kapacitě vodiacuteku Nevyacutehoda takoveacuteho skladovaacuteniacute jsou ztraacutety ktereacute mohou dosaacutehnout až 3 procent ročně Tento typ uacuteložišť se již využiacutevaacute V Kielu se již od roku 1971 skladuje městskyacute plyn kteryacute obsahuje až 65 vodiacuteku v podzemniacutem zaacutesobniacuteku v hloubce 1330 m o objemu 32 000 m3 a tlaku 8 - 16 MPa [10] Nadzemniacute zaacutesobniacutekoveacute systeacutemy se běžně použiacutevajiacute v průmyslu zemniacuteho plynu v různyacutech rozměrovyacutech a tlakovyacutech uacuterovniacutech Běžneacute tlakoveacute lahve o objemu 50 litrů a tlaku 20 Mpa stacionaacuterniacute vysokotlakeacute zaacutesobniacuteky s tlakem 20 MPa i většiacutem velkeacute kuloveacute zaacutesobniacuteky o objemu až 30 000 m3 a tlaku 12 - 16 Mpa Naacuteklady jsou u teacuteto metody dosti vysokeacute (komprese vysokotlakeacute naacutedoby) V přiacutepadě použitiacute v automobilu se tato metoda vykazuje rychlou dobou plněniacute a velkyacutem množstviacutem uskladněneacuteho vodiacuteku (na uacutekor bezpečnosti) Na plnou naacutedobu vodiacuteku vaacutežiacuteciacute okolo 40 kg s 39 kg vodiacuteku je auto schopno ujet až 600 km

32Skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacutem stavu

Systeacutemy skladovaacuteniacute vodiacuteku v kapalneacute faacutezi překonaacutevajiacute mnoho probleacutemů spojenyacutech s objemem a hmotnostiacute při vysokotlakeacutem skladovaacuteniacute vodiacuteku avšak za cenu potřeby zajištěniacute kryogenniacutech teplot Kapalnyacute vodiacutek může byacutet skladovaacuten pod svyacutem bodem varu ktereacuteho za normaacutelniacutech podmiacutenek dosaacutehne při -252882 degC (20268 K) nebo takeacute bliacuteže podmiacutenek okolniacuteho tlaku v dvoustěnnyacutech super izolovanyacutech naacutedržiacutech neboli bdquodewarechldquo (Dewarovyacutech naacutedobaacutech) Tyto izolace jsou izolacemi vakuovyacutemi [12] Zaacutesobniacuteky tekuteacuteho vodiacuteku nepotřebujiacute vysokotlakeacute naacutedoby a proto nemusiacute byacutet tak robustniacute Vodiacutek nemůže byacutet skladovaacuten v zaacutesobniacuteciacutech neomezeně Všechny zaacutesobniacuteky bez ohledu na kvalitu izolace umožňujiacute transfer tepla mezi zaacutesobniacutekem a okoliacutem Velikost teplotniacute netěsnosti zaacutevisiacute na konstrukci a velikosti zaacutesobniacuteku

40

Tyto přiacutečiny přenosu tepla vedou k odpařovaacuteniacute vodiacuteku a zvyšovaacuteniacute tlaku Stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky kapalneacuteho vodiacuteku jsou stavěny nejčastěji ve formě kuloviteacute jelikož koule nabiacuteziacute nejmenšiacute povrch k daneacutemu objemu a proto nejmenšiacute plochu přestupu tepla [12] Zaacutesobniacuteky majiacute maximaacutelniacute konstrukčniacute přetlak kolem 5 bar v přiacutepadě že odběr vodiacuteku je menšiacute než jeho produkce a vypařovaacuteniacutem roste tlak v zaacutesobniacuteku až do hodnoty kdy je odveden pojistnyacutem ventilem Odplyněniacute sniacuteženiacute přetlaku tiacutemto způsobem neniacute jenom přiacutemou ztraacutetou využitelneacuteho paliva ale v přiacutepadě mobilniacutech jednotek i potenciaacutelniacute nebezpečiacute a to předevšiacutem v budovaacutech a garaacutežiacutech Současneacute automobiloveacute aplikace zaacutesobniacuteku kapalneacuteho vodiacuteku odvaacutedějiacute 1 až 2 za den Vodiacutek může byacutet čerpaacuten ze zaacutesobniacuteku buď jako kapalina nebo jako plyn V přiacutepadě že je použiacutevaacuten v jednotkaacutech s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem může byacutet kapalnyacute vodiacutek vstřikovaacuten přiacutemo do vaacutelce v zaacutevislosti na zvyšujiacuteciacutemsnižujiacuteciacutem se množstviacute spalovaneacuteho paliva a pracovniacutem zdvihu V přiacutepadě použitiacute v palivoveacutem člaacutenku plynnyacute vodiacutek může byacutet odčerpaacutevaacuten při odpoviacutedajiacuteciacutem tlaku pro zaacutesobovaacuteniacute daneacute reakce [12] Ačkoli skladovaacuteniacute kapalneacuteho vodiacuteku eliminuje nebezpečiacute spojenaacute s vysokotlakyacutem skladovaacuteniacutem plynů přinaacutešiacute daacutele nově vlastniacute nebezpečiacute spojenaacute s niacutezkyacutemi teplotami Vaacutežnaacute nebezpečiacute omrzlin existujiacute ve spojeniacute s kapalnyacutem vodiacutekem jeho paacuterami a kontaktniacutemi plochami Uhliacutekataacute ocel vystavenaacute teplotaacutem nižšiacutem -30 degC a to přiacutemo nebo nepřiacutemo se staacutevaacute křehkou a je naacutechylnaacute k lomu Vzduch může kondenzovat na povrchovyacutech plochaacutech ktereacute jsou podchlazeneacute může odkapaacutevat daacutele i na materiaacutely nebezpečneacute z pohledu vzniacuteceniacute požaacuteru nebo vyacutebuchu nebezpečiacute totiž spočiacutevaacute v naacutesledneacutem zvyacutešeniacute koncentrace [12] Zkapalňovaacuteniacute vodiacuteku je vzhledem k dosaacutehnutiacute extreacutemně niacutezkyacutech teplot energeticky velmi naacuteročnyacute intenzivniacute proces Zkapalňovaacuteniacute zahrnuje několik kroků Prvniacutem je komprese vodiacuteku v piacutestoveacutem kompresoru přechlazeniacute stlačeneacuteho plynu na teplotu zkapalněniacute dusiacuteku (-195 degC) naacutesleduje expanze přes turbiacutenu a posledniacutem krokem je katalytickaacute konverze na stabilniacute formu vodiacuteku Ve vyacutesledku je energie potřebnaacute k procesu zkapalněniacute ekvivalentem kteryacute překračuje 40 energetickeacute vztažneacute hodnoty vodiacuteku Kapalnou formu vodiacuteku lze relativně uacutečinně transportovat a lehce použiacutevat Je zřejmeacute že během zkapalňovaacuteniacute se vklaacutedajiacute do energie maximaacutelniacute investice a proto se jeviacute proziacuteraveacute skladovat a použiacutevat vodiacutek přiacutemo jako kapalinu kdykoli je to možneacute V zaacutevislosti na množstviacute zkapalňovaneacuteho vodiacuteku jsou použiacutevaacuteny různeacute zkapalňovaciacute metody Velkaacute zařiacutezeniacute obvykle využiacutevajiacute kombinace naacutesledujiacuteciacutech metod - turbiacutenovaacute Joule-Thomsonova či magnetokalorickaacute metoda Ve všech přiacutepadech je zkapalněniacute dosaženo kompresiacute naacutesledovaneacute určityacutem způsobem expanze buď nevratneacute využitiacutem škrtiacuteciacuteho ventilu či čaacutestečně vratneacute využitiacutem expanzniacuteho stroje Obvykle je použito 6 stupňů tepelneacuteho vyacuteměniacuteku přičemž prvniacute je chlazen tekutyacutem dusiacutekem V předposledniacutem kroku obstaraacutevaacute expanzi Joule-Thomsonův ventil Využitiacute magnetokalorickyacutech metod umožňuje přeměnu ortho-vodiacuteku na para-vodiacutek Po několika krociacutech je dosažen obsah para-vodiacuteku okolo 95 Para-vodiacutek maacute menšiacute energetickyacute obsah než ortho-vodiacutek[12] Způsob uskladněniacute kapalneacuteho vodiacuteku je obvykle proveden pomociacute uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků majiacuteciacutech perlitoveacute podtlakoveacute izolace V USA je mnoho obdobnyacutech zaacutesobniacuteků Největšiacute z nich patřiacute NASA a je situovaacuten na mysu Canaveral Tento zaacutesobniacutek maacute objem přibližně 3 800 m3 (přibližně 270 t LH2) Běžneacute stacionaacuterniacute zaacutesobniacuteky majiacute objemy od 1 500 l (přibližně 1 100 Nm3) až do 75 000 l

41

(přibližně 60 000 Nm3) V souvislosti s aktivitami tyacutekajiacuteciacutemi se dopravniacutech prostředků na vodiacutek byla v Německu vyvinuta malaacute přenosnaacute uskladňovaciacute zařiacutezeniacute Zaacutesobniacuteky pro automobily (umiacutestěneacute v testovanyacutech dopravniacutech prostředciacutech BMW) a autobusy (umiacutestěneacute v MAN-Bus SL202) jsou v současnosti vyraacuteběneacute pouze v maleacutem počtu Zaacutesobniacuteky pro autobusy se sklaacutedajiacute ze třiacute eliptickyacutech křiacutežiacuteciacutech se zaacutesobniacuteků každyacute o objemu 190 l odpoviacutedajiacuteciacute energetickeacutemu obsahu 450 kWh či 150 Nm3 plynneacuteho vodiacuteku při normaacutelniacutech podmiacutenkaacutech Dosažitelnaacute energetickaacute hustota je 45 kWhkg či 213 kWhl Zaacutesobniacuteky jsou konstruovaacuteny z 200 - 300 vrstev izolačniacutech foacuteliiacute dovolujiacuteciacutech odpařit okolo 1 zkapalněneacuteho plynu za den Nicmeacuteně toto množstviacute narůstaacute při spojeniacute několika zaacutesobniacuteků dohromady vlivem ztraacutet ve spojovaciacutem potrubiacute [12]

Obr 16 120 litrovaacute naacutedrž na tekutyacute vodiacutek firmy Linde [16]

33Skladovaacuteniacute pomociacute hydridu kovů

Systeacutemy skladovaacuteniacute v hydridech kovů se zaklaacutedajiacute na principu snadneacute absorpce plynu určityacutemi materiaacutely za podmiacutenek vysokeacuteho tlaku a miacuternyacutech teplot Tyto laacutetky pak uvolňujiacute vodiacutek jako plyn v přiacutepadě kdy jsou zahřiacutevaacuteny při niacutezkyacutech tlaciacutech a relativně vysokyacutech teplotaacutech V podstatě tyto materiaacutely kovy nasaacutevajiacute a uvolňujiacute vodiacutek jako bdquohoubaldquo Vyacutehoda skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů se soustřeďuje na skutečnost že vodiacutek se staacutevaacute součaacutestiacute chemickeacute struktury těchto kovů a proto daacutele neniacute požadovaacuten vysokyacute tlak nebo kryogenniacute teplota pro vlastniacute provoz [12] Vodiacutek se uvolňuje z hydridů pro použitiacute při niacutezkeacutem tlaku hydridy kovů jsou ve sveacute podstatě nejbezpečnějšiacute ze všech systeacutemů skladovaacuteniacute Existuje mnoho typů specifickyacutech hydridů kovů primaacuterně se však staviacute na kovovyacutech slitinaacutech hořčiacuteku niklu železa a titanu Hydridy kovů mohou byacutet rozděleny dle vysoko nebo niacutezkoteplotniacute desorpce vodiacuteku Vysokoteplotniacute hydridy jsou levnějšiacute a jsou schopneacute uchovaacutevat viacutece vodiacuteku než niacutezkoteplotniacute ale vyžadujiacute vyacuteznamně viacutece tepelneacute energie

42

pro uvolněniacute vodiacuteku Niacutezkoteplotniacute hydridy mohou na rozdiacutel od vysokoteplotniacutech hydridů ziacuteskat dostatek tepelneacute energie pro uvolněniacute vodiacuteku z vlastniacute jednotky ktereacute vyžadujiacute externiacute zdroj tepelneacute energie Niacutezkaacute teplota desorpce ve spojeniacute s niacutezkoteplotniacutemi hydridy může byacutet probleacutemem vzhledem k přiacuteliš snadneacutemu uvolňovaacuteniacute plynu za okolniacutech podmiacutenek K překonaacuteniacute těchto probleacutemů musiacute byacutet niacutezkoteplotniacute hydrid kovu pod tlakem čiacutemž vzrůstaacute komplikovanost procesu Typickeacute charakteristiky hydridů kovů jsou shromaacutežděny v tabulce 6

Charakteristika NiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacuteNiacutezkoteplotniacute VysokoteplotniacuteVysokoteplotniacuteVysokoteplotniacute

T i 2 N i -H25

F e T i -H25

VH-VH2 L a N i 5 -H67

M g C u -H3

M g 2 N i -H4

Mg-H

Množs tv iacute s l i t i ny absorbujiacuteciacute H2 []

161 187 192 155 267 371 825

Množstviacute hydridu s c h o p n eacute h o absorbovat energii jako z 1l benziacutenu [kg]

155 134 130 161 - 675 35

Množstviacute slitiny k akumulaci 25 kg vodiacuteku [kg]

217 188 182 225 - 95 50

Desorpčniacute teplota při tlaku 15 barg [degC]

-3 7 15 21 245 267 296

Doplňovaacuteniacute snadneacute - - těžkeacute - těžkeacute těžkeacute

Tab 6 Charakteristika použiacutevanyacutech hydridů kovu [12]

Hlavniacute nevyacutehodou skladovaciacutech systeacutemů na baacutezi hydridů kovů neniacute jen teplota a tlak nutnyacute pro extrakci vodiacuteku ale i jejich niacutezkaacute hustota energie Dokonce i ty nejlepšiacute hydridy obsahujiacute jen 8 hmotnostniacutech procent vodiacuteku Majiacute proto velkou hmotnost a naviacutec jsou draheacute Systeacutem s hydridem kovu může byacutet až třicetkraacutet těžšiacute a desetkraacutet objemnějšiacute než naacutedrž s benziacutenem stejneacuteho energetickeacuteho obsahu Dalšiacute nevyacutehodou systeacutemů na baacutezi hydridu kovu je nutnost použiacutevat jen velmi čistyacute vodiacutek jinak dojde ke kontaminaci hydridu s naacuteslednou ztraacutetou kapacity Kysliacutek a voda jsou prvotniacutemi činiteli jelikož se chemicky adsorbujiacute na povrch kovů a nahrazujiacute potenciaacutel vodiacutekovyacutech vazeb Sniacuteženiacute kapacity kontaminaciacute může byacutet do určiteacute miacutery reaktivovaacuteno teplem Dalšiacute probleacutemy spojeneacute s hydridy kovů souvisiacute s jejich strukturou Typickeacute provedeniacute se naleacutezaacute ve formě zrniteacute granulovaneacute nebo praacuteškoveacute struktury kteraacute tak poskytuje co největšiacute plochu pro kontakt s plynem Tyto čaacutestice jsou naacutechylneacute na abrazi jež u obojiacuteho vede k redukci jejich efektivity a může veacutest k ucpaacuteniacute profilu přepouštěciacutech ventilů nebo trubek Žaacutednyacute specifickyacute materiaacutel nemaacute vynikajiacuteciacute vlastnosti ve všech požadovanyacutech směrech (vysokaacute kapacita absorpce vysokaacute hustota energie malaacute potřeba tepla a niacutezkeacute naacuteklady) Z tohoto důvodu se použiacutevaacute směs různyacutech vysoko a niacutezkoteplotniacutech hydridů kdy se vyrovnaacutevajiacute vyacutehody a nevyacutehody různyacutech typů při různyacutech podmiacutenkaacutech provozu [12]

43

Obr 17 Vlastnosti vybranyacutech hydridů [8]

331 Hydridy alkalickyacutech zemin

Noveacute variace hydridů ktereacute nabiacutezejiacute vyacutehodnějšiacute vlastnosti oproti předchoziacutem metodaacutem se tyacutekajiacute peletizovanyacutech sodiacutekovyacutech drasliacutekovyacutech a lithnyacutech složek Tyto složky hydridů reagujiacute s vodou za vyacutevinu vodiacuteku bez nutnosti dodaacutevaacuteniacute tepelneacute energie Nejpokročilejšiacute komerčně vyviacutejenyacute systeacutem vyžaduje použitiacute hydroxidu sodneacuteho jenž je hojně k dispozici jakožto odpadniacute materiaacutel z průmysloveacute vyacuteroby papiacuteru plastu z ropneacuteho průmyslu a jinyacutech Hydroxid sodnyacute je převeden na hydrid sodnyacute(NaH) za přiacutevodu tepla naacutesledovně

2NaOH + tepenerrarr 2NaH +O2

NaH potom může byacutet peletizovaacuten tyto pelety se pokryacutevajiacute vodě-odolnyacutem plastem nebo povlakem Sodiacutek se tak staacutevaacute neaktivniacutem a lze ho potom jednoduše transportovat Pro uvolněniacute vodiacuteku je ochrannyacute povlak rozrušovaacuten a naacutesleduje reakce s vodou

NaH (s)+ H2O(l)rarr NaOH (l)+ H2 (g) Tato reakce probiacutehaacute poměrně rapidně a vodiacutek z teacuteto reakce maacute tlak kolem 8-10 bar Hydroxid sodnyacute lze ziacuteskat zpět a může byacutet opětovně použiacutevaacuten v procesu Vyacutehoda tohoto uchovaacutevaacuteniacute vodiacuteku oproti ostatniacutem hydridům je absence potřeby tepla pro uvolněniacute vodiacuteku Tento proces je relativně jednoduchyacute a z toho plyne i jednoduššiacute konstrukce takoveacuteho procesniacuteho zařiacutezeniacute Nevyacutehodou tohoto procesu jsou komplikace spojeneacute s mechanickyacutem rozrušovaacuteniacutem pelet kontrolovanyacutem způsobem a naacutesledneacute využitiacute odpadniacutech materiaacutelů kteryacute obklopuje odpadniacute hydroxid sodnyacute a použiteacute plastoveacute obaly pelet Proces využiacutevajiacuteciacute kombinaci generovaacuteniacute vodiacuteku a skladovaacuteniacute pro jednoraacutezoveacute použitiacute Stejně jako u elektrolyacutezy je vodiacutek

44

v hydridu sodneacutem nositel energie ne však jejiacute zdroj Hydroxid sodnyacute se nachaacuteziacute v niacutezkeacutem energetickeacutem stavu a musiacute byacutet přenesen do vyššiacuteho stavu pomociacute dodaacuteniacute tepelneacute energie

34 Jineacute druhy skladovaacuteniacute vodiacuteku

V současnosti se se zkoumajiacute dalšiacute skladovaciacute metody vodiacuteku jako je adsorpce na uhliacutekovyacutech poreacutezniacutech strukturaacutech skleněneacute mikrosfeacuterya oxidačniacute technologie železa Tyto metody jsou použiacutevaacuteny pouze laboratorněa jejich nasazeniacute do komerčniacute sfeacutery ještě nelze v bliacutezkeacute budoucnosti očekaacutevat

341 Uhliacutekovaacute adsorpce

Uhliacutekovaacute adsorpce je založena na slučitelnosti uhliacuteku a vodiacutekovyacutech atomů Vodiacutek je čerpaacuten do kontejnerů se substraacutetem malyacutech karbonovyacutech čaacutestic kde je vaacutezaacuten molekulaacuterniacutemi silami Tato metoda silně připomiacutenaacute metodu skladovaacuteniacute v hydridech kovů je ovšem zdokonalena v oblasti niacutezkyacutech teplot kde se uvažuje rozdiacutel mezi tekutyacutem vodiacutekem a chemickou vazbou Uhliacutek adsorbuje při teplotaacutech -185 až -85 degC a tlaciacutech 21 až 48 bar Velikost adsorpce uhliacutekem se zvyšuje s nižšiacutemi teplotami Teplo při překročeniacute teplotniacute hranice 150degC uvolňuje vodiacutek

342 Technologie uhliacutekovyacutech nanovlaacuteken

Laboratorniacute vyacutesledky ukazujiacute tuto metodu jako velmi nadějnou pro budouciacute použitiacute Vodiacutek uskladněnyacute ve sloučenině může dosaacutehnout až 70 celkoveacute vaacutehy sloučeniny Typickeacute hydridy kovů jsou schopny přijmout 2-4 vaacutehy sloučeninyv hmotnostně těžkeacute struktuře Pokud by tyto vyacutesledky byly reaacutelně prokaacutezaacuteny potom vozidla použiacutevajiacuteciacute vodiacutekoveacute palivoveacute člaacutenky budou schopny ujet až 5000 km bez potřeby doplněniacute paliva Tiacutem by se vyřešil probleacutem chybějiacuteciacute infrastruktury distribuce vodiacuteku Takoveacute palivo by se mohlo skladovat ve skladištiacutech nebo posiacutelat prostřednictviacutem přepravniacutech služeb

343 Skleněneacute mikrosfeacutery Systeacutemy skleněnyacutech mikrosfeacuter použiacutevajiacute maleacute skleněneacute sfeacutery (kuličky)s průměrem menšiacutem než 100 microm jež jsou schopny odolat tlakům až 1 000 MPa Vodiacutek je do nich nuceně vhaacuteněn velmi vysokyacutemi tlaky Jakmile je vodiacutek uskladněn kuličky je možno ponechat v podmiacutenkaacutech okolniacuteho prostřediacute bez ztraacutet vodiacuteku Přivedeniacute nevelkeacuteho množstviacute tepelneacute energie se uvolňuje vodiacutek zpět Pro zajištěniacute zvyacutešeniacute rychlosti uvolňovaacuteniacute vodiacuteku ze skleněnyacutech mikrosfeacuter se provaacutediacute experimenty i formou drceniacute kuliček [12]

344 Oxidace železa

Oxidace železa je proces při ktereacutem se vodiacutek vytvaacuteřiacute reakciacute poacuteroviteacuteho železa (surovaacute ingredience pro ocelaacuteřskeacute pece) s vodniacute paacuterou Reakce potom lze popsat naacutesledujiacuteciacutem rovnicemi

Fe+ H2Oharr FeO + H2

45

3FeO + H2Oharr Fe3O4 + H2

Vedlejšiacutem produktem tohoto procesu je rez Jakmile železo plně zkoroduje je potřeba ho vyměnit za noveacute Produkty reakce jsou přeměněny na původniacute formu Paacuteru a tepelnou energii potřebnou pro průběh reakce lze ziacuteskaacutevat pomociacute spalovaciacute jednotky nebo v přiacutepadě palivovyacutech člaacutenků z jejich chladiacuteciacuteho okruhu (meacutedia) Ačkoliv je ocel levnaacute jejiacute hmotnost činiacute tuto metodu nevyacutehodnou Efektivniacute hmotnost paliva vůči celkoveacute hmotnosti systeacutemu uskladněniacute je 45 Vlastniacute reakce probiacutehaacute při teplotě 80 - 200 degC

46

4Palivoveacute člaacutenky

Za objevitele principu palivoveacuteho člaacutenku je považovaacuten Sir William Grove přičemž datum objevu se datuje do roku 1839 Během konce 19 a počaacutetku 20 stoletiacute se vědci pokoušeli objevit noveacute typy palivovyacutech člaacutenků kombinujiacutece přitom různaacute paliva a elektrolyty Avšak většinou bezvyacutesledně Rozvoj v teacuteto oblasti nastal až kolem poloviny 20 stoletiacute v důsledku snah najiacutet alternativniacute zdroje pro vesmiacuterneacute lety Gemini a Apollo Ale i tyto pokusy byly zpočaacutetku neuacutespěšneacute Až roku 1959 předvedl Francis T Bacon prvniacute plně fungujiacuteciacute palivovyacute člaacutenek Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (PEM FC ndash Proton Exchange Membrane Fuel Cells) byly poprveacute použity společnostiacute NASA v roce 1960 jako součaacutest vesmiacuterneacuteho programu Gemini Tyto palivoveacute člaacutenky využiacutevaly jako reakčniacute plyny čistyacute kysliacutek a čistyacute vodiacutek Byly maleacute a draheacute (a tedy komerčně neefektivniacute) Zaacutejem NASA stejně jako energetickaacute krize v roce 1973 zvyacutešili zaacutejem o alternativniacute druhy ziacuteskaacutevaacuteniacute energie a tiacutem došlo k překotneacutemu vyacutevoji v oblasti palivovyacutech člaacutenků Předevšiacutem diacuteky tomuto tlaku našly tyto člaacutenky uacutespěšneacute uplatněniacute v různorodyacutech aplikaciacutech

41Vyacutehody palivovyacutech člaacutenků Palivoveacute člaacutenky zpracovaacutevajiacute pouze čistyacute vodiacutek Teoreticky pracujiacute bez škodlivyacutech laacutetek Produktem reakce jsou kromě elektrickeacute energie takeacute vodaa teplo V přiacutepadě že palivoveacute člaacutenky využiacutevajiacute plynnou reformačniacute směs bohatou na vodiacutek vznikajiacute škodliveacute zplodiny avšak těchto zplodin je meacuteně než těch ktereacute vznikajiacute v přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem využiacutevajiacuteciacutech jako zdroj energie konvenčniacute fosilniacute paliva Motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem ktereacute spalujiacute směsi chudeacute na vodiacutek a vzduch jsou rovněž schopneacute dosaacutehnout niacutezkeacute hladiny škodlivin avšak u těchto strojů dochaacuteziacute současně ke spalovaacuteniacute mazaciacuteho oleje což maacute za naacutesledek naacuterůst škodlivyacutech emisiacute Palivoveacute člaacutenky pracujiacute s vyššiacute termodynamickou uacutečinnostiacute než tepelneacute motory Tepelneacute motory přeměňujiacute chemickou energii na teplo prostřednictviacutem spalovaacuteniacute a využiacutevajiacute toho že teplo konaacute praacuteci Se zvyacutešeniacutem teploty horkeacuteho plynu vstupujiacuteciacuteho do motoru a se sniacuteženiacutem teploty chladneacuteho plynu po expanzi se zvyacutešiacute i termodynamickaacute uacutečinnost Teoreticky lze tedy navyacutešit horniacute teplotu libovolnyacutem množstviacutem tepla dle požadovaneacute termodynamickeacute uacutečinnosti zatiacutemco dolniacute hranice teploty nemůže nikdy klesnout pod teplotu okoliacute Avšak ve skutečnyacutech tepelnyacutech motorech je horniacute teplota limitovaacutena použityacutemi materiaacutely Kromě toho motory s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem majiacute vstupniacute teplotu rovnu pracovniacute teplotě kteraacute je mnohem nižšiacute než teplota vzplanutiacute Palivoveacute člaacutenky nepoužiacutevajiacute proces spalovaacuteniacute jejich uacutečinnost neniacute spjata s jejich maximaacutelniacute provozniacute teplotou Vyacutesledkem je že uacutečinnost přeměny energie může byacutet vyacuterazně většiacute než skutečnaacute reakce spalovaacuteniacute Kromě vyššiacute relativniacute tepelneacute uacutečinnosti palivoveacute člaacutenky vykazujiacute takeacute vyššiacute uacutečinnost oproti tepelnyacutem motorům při jejich čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky nevykazujiacute ostreacute propady v uacutečinnosti jak je tomu v přiacutepadě velkyacutech elektraacuteren Tepelneacute motory dosahujiacute nejvyššiacute uacutečinnosti při praacuteci v navrhovaneacutem provozniacutem stavu a vykazujiacute rapidniacute poklesy uacutečinnosti při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute Palivoveacute člaacutenky majiacute vyššiacute uacutečinnost při čaacutestečneacutem zatiacuteženiacute než při zatiacuteženiacute plneacutem Takeacute změny uacutečinnosti jsou v celeacutem provozniacutem rozsahu menšiacute Palivoveacute člaacutenky vykazujiacute dobreacute dynamickeacute charakteristiky Stejně jako baterie jsou takeacute palivoveacute člaacutenky pevnaacute statickaacute zařiacutezeniacute kteraacute reagujiacute na změny v elektrickeacute

47

zaacutetěži okamžitě změnami chemickyacutemi Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute na čistyacute vodiacutek majiacute vynikajiacuteciacute celkovou odezvu Palivoveacute člaacutenky ktereacute pracujiacute s reformaacutetem (nejčastěji palivo na baacutezi uhlovodiacuteků) a využiacutevajiacute palubniacute reformer mohou miacutet tuto odezvu pomalou zvlaacuteště při použitiacute techniky parniacuteho reformingu (metoda zpracovaacuteniacute reformaacutetu nejčastěji za vzniku vodiacuteku a oxidů uhliacuteku) V přiacutepadě použitiacute palivovyacutech člaacutenků jako generaacutetorů elektrickeacute energie vyžadujiacute tyto člaacutenky meacuteně energetickyacutech přeměn než tepelneacute motory Jestliže budou použity jako zdroje mechanickeacute energie potom požadujiacute stejneacute množstviacute přeměn ačkoliv jednotliveacute transformace se odlišujiacute od těch jež probiacutehajiacute v přiacutepadě tepelnyacutech motorů Palivoveacute člaacutenky jsou vhodneacute pro mobilniacute aplikace pracujiacuteciacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech (typickeacute jsou teploty nižšiacute než 100 degC) Provoz při nižšiacutech teplotaacutech se vyznačuje většiacute bezpečnostiacute a kraacutetkyacutem zahřiacutevaciacutem časem Naviacutec termodynamickaacute uacutečinnost elektrochemickeacute reakce je podstatně vyššiacute než uacutečinnost přeměny energie chemickyacutech vazeb na energii elektrickou pomociacute tepelnyacutech motorů Nevyacutehodou se však jeviacute obtiacutežnyacute odvod odpadniacuteho tepla kteryacute musiacute byacutet zajištěn většiacutem chladiacuteciacutem systeacutemem a i přes vysokeacute provozniacute teploty pomalyacute proces elektrochemickeacute reakce Palivoveacute člaacutenky mohou byacutet použity v kogeneračniacutech aplikaciacutech Kromě elektrickeacute energie produkujiacute palivoveacute člaacutenky takeacute čistou horkou vodu a teplo Palivoveacute člaacutenky nevyžadujiacute dobiacutejeniacute avšak musiacute mu byacutet dodaacutevaacuteno palivo což je ovšem mnohem rychlejšiacute než dobiacutejeniacute bateriiacute Mohou takeacute poskytovat většiacute rozsah (delšiacute doba poskytovaacuteniacute elektrickeacute energie) v zaacutevislosti na velikost naacutedrže s palivem a oxidantem Palivoveacute člaacutenky majiacute niacutezkeacute opotřebeniacute a vysokou životnost (někteřiacute vyacuterobci udaacutevajiacute až desetitisiacutece hodin) Nejsou přiacutetomny pohybliveacute čaacutesti z čehož vyplyacutevaacute tichyacute chod palivovyacutech člaacutenků a schopnost snaacutešet i značnaacute přetiacuteženiacute Proti klasickyacutem elektrochem akumulaacutetorům použiacutevanyacutem v současnyacutech elektromobilech majiacute palivoveacute člaacutenky vyššiacute dojezdovou vzdaacutelenost Vyřazeneacute palivoveacute člaacutenky na rozdiacutel od akumulaacutetorů nezatěžujiacute životniacute prostřediacute těžkyacutemi kovy

42 Nevyacutehody palivovyacutech člaacutenků

Vodiacutek kteryacute je ekologicky prospěšnyacute se velmi obtiacutežně vyraacutebiacute a uskladňuje Současneacute vyacuterobniacute procesy jsou draheacute a energeticky naacuteročneacute naviacutec často vychaacutezejiacute z fosilniacutech paliv Efektivniacute infrastruktura dodaacutevky vodiacuteku nebyla ještě ani vytvořena Systeacutemy uskladňujiacuteciacute plynnyacute vodiacutek se vyznačujiacute obrovskyacutemi rozměry a obtiacutežnyacutem přizpůsobeniacutem energeticky niacutezkeacute objemoveacute hustotě vodiacuteku Systeacutemy uskladňujiacuteciacute tekutyacute vodiacutek jsou mnohem menšiacute a lehčiacute ovšem musiacute byacutet provozovaacuteny za kryogenniacutech teplot Možnost představuje takeacute uskladněniacute vodiacuteku pomociacute uhlovodiacuteků a alkoholů odkud může byacutet uvolňovaacuten dle požadavku diacuteky palubniacutemu reformeru Je pravdou že toto uskladněniacute manipulaci s vodiacutekem zjednodušiacute avšak některeacute ekologickeacute vyacutehody budou nenaacutevratně ztraceny (praacutevě diacuteky využitiacute uhlovodiacuteků či alkoholů a s tiacutem souvisejiacuteciacute emise COx) Palivoveacute člaacutenky požadujiacute čisteacute palivo bez specifickyacutech znečišťujiacuteciacutech laacutetek Tyto laacutetky jako jsou siacutera a uhliacutekoveacute sloučeniny či zbytkovaacute tekutaacute paliva (v zaacutevislosti na typu palivoveacuteho člaacutenku) mohou poškodit katalyzaacutetor palivoveacuteho člaacutenku čiacutemž přestaacutevaacute samotnyacute člaacutenek fungovat V přiacutepadě motorů s vnitřniacutem spalovaacuteniacutem nezpomaluje ani jedna z těchto škodlivyacutech laacutetek samotnyacute proces spalovaacuteniacute

48

Palivoveacute člaacutenky se hodiacute pro automobiloveacute aplikace Ty jsou typickeacute svyacutem požadavkem platinoveacuteho katalyzaacutetoru pro podporu reakce při ktereacute se vyraacutebiacute elektrickaacute energie Platina je vzaacutecnyacute kov a je velmi drahaacute Za diacutelčiacute nevyacutehody lze poklaacutedat i skutečnost že vyacutekon odebiacuteranyacute z 1 cm2 elektrod je zatiacutem niacutezkyacute Palivoveacute člaacutenky produkujiacute v průběhu vyacuteroby elektrickeacute energie čistou vodu Většina palivovyacutech člaacutenků vhodnyacutech pro automobiloveacute aplikace takeacute využiacutevaacute jako reaktanty vlhkeacute plyny I nepatrnaacute zbytkovaacute voda v palivoveacutem člaacutenku může přitom způsobit nevratnou zničujiacuteciacute expanzi v přiacutepadě vystaveniacute mrazu Při provozu vyraacutebějiacute palivoveacute člaacutenky dostatečneacute teplo zabraňujiacuteciacute mrznutiacute při okolniacutech teplotaacutech pod bodem mrazu V přiacutepadě že jsou za mraziveacuteho počasiacute palivoveacute člaacutenky vypnuty musiacute byacutet trvale vyhřiacutevaacuteny či z nich musiacute byacutet kompletně odstraněna zbytkovaacute voda před tiacutem než člaacutenek zmrzne Z tohoto důvodu musiacute byacutet dopravniacute prostředek převezen do zahřiacutevaciacuteho zařiacutezeniacute nebo je nezbytně nutneacute instalovat v jeho bliacutezkosti horkovzdušneacute ohřiacutevaciacute zařiacutezeniacute Palivoveacute člaacutenky vyžadujiacute kontinuaacutelniacute odstraňovaniacute zplodin chemickyacutech reakciacute jejichž množstviacute zaacutevisiacute na velikosti odebiacuteraneacuteho proudu (odčerpaacutevaacuteniacute vody vodniacute paacutery či produktů oxidace) vyžadujiacute takeacute složiteacute řiacutediacuteciacute systeacutemy a uvedeniacute do provozu může trvat několik minut

43 Princip funkce palivovyacutech člaacutenků

Palivovyacute člaacutenek je ve sveacute podstatě zařiacutezeniacute ktereacute produkuje elektřinu po celou dobu kdy je mu dodaacutevaacuteno palivo V palivoveacutem člaacutenku dochaacuteziacute ke transformaci uloženeacute chemickeacute energie paliva do elektrickeacute energie Rozdiacutel mezi spalovaciacutem motorem a palivovyacutem člaacutenkem je daacuten rozdiacutelnyacutem způsobem přeměny energie Ve spalovaciacutem motoru dochaacuteziacute ke spaacuteleniacute paliva naacutesledneacutemu uvolněniacute tepla Teplo je daacutele přeměněno na mechanickou energii a teprve mechanickaacute energie je přeměněna na energii elektrickou Každaacute přeměna v tomto cyklu maacute za naacutesledek určitou ztraacutetu energie V kontrastu s tiacutemto cyklem palivoveacute člaacutenky fungujiacute velmi jednoduše a efektivně K produkci elektřiny dochaacuteziacute pomociacute chemickeacute reakce V jednoducheacutem palivoveacutem člaacutenku probiacutehajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 rarr 2H + + 2eminus

12O2 + 2H

+ + 2eminus rarr H2O

Protony prochaacuteziacute elektrolytem a na katodě se spojiacute s kysliacutekem nejčastěji vzdušnyacutem a utvořiacute tak vodu Elektrony jsou směrovaacuteny externiacutem okruhem kde vytvaacuteřejiacute stejnosměrneacute proud Tyto zařiacutezeniacute mohou dosaacutehnout uacutečinnost až 40 Palivoveacute člaacutenky jsou schopny pracovat nejen s čistyacutem vodiacutekem ale takeacute s reformovanyacutemi palivy jako je metan jelikož v nich neniacute oxid uhličityacute Vyacutekon systeacutemu palivovyacutech člaacutenků může byacutet popsaacuten zaacutevislostiacute proudu a napětiacute Je prezentovaacuten ve formě grafu nazvanyacutem proud-napěťovaacute křivka Vyacutestupniacute napětiacute je funkciacute proudu normalizovaneacute plochou člaacutenku udaacutevajiacuteciacute proudovou hustotu Ideaacutelniacute palivovyacute člaacutenek by dodal jakeacutekoliv množstviacute proudu při udrženiacute konstantniacuteho napětiacute určeneacuteho termodynamikou procesu V opravdoveacutem světě je skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute nižšiacute než termodynamicky určeneacute napětiacute ideaacutelniacute tento rozdiacutel je způsoben nevyhnutelnyacutemi ztraacutetami v systeacutemu Ztraacutety jsou kompenzovaacuteny dodaniacutem vyššiacuteho proudu palivovyacutem člaacutenkem

49

Čiacutem většiacute množstviacute proudu je potřeba ziacuteskat z palivovyacutech člaacutenků tiacutem většiacute jsou nevratneacute ztraacutety způsobujiacuteciacute pokles vyacutestupniacuteho napětiacute Existujiacute 3 hlavniacute typy ztraacutet v palivovyacutech člaacutenciacutech

1 Aktivačniacute ztraacutety - v důsledku elektrochemickeacute reakce2 Odporoveacute ztraacutety - v důsledku iontoveacuteho a elektronoveacuteho vedeniacute3 Koncentračniacute ztraacutety - v důsledku pohybu hmoty

Vyacutestupniacute napětiacute je tedy funkciacute termodynamicky předpoklaacutedaneacuteho napětiacute a jednotlivyacutech zraacutet a může byacutet vyjaacutedřeno naacutesledovně

V = Ethermo minusηakt minusηodp minusηkonc

kde V - skutečneacute vyacutestupniacute napětiacute Ethermo - termodynamicky určeneacute napětiacute ηakt - aktivačniacute ztraacutety ηodp - odporoveacute ztraacutety ηkonc - koncentračniacute ztraacutety Vyacutekon palivoveacuteho člaacutenku je pak určen podle vztahu

P = i sdotVkde P - vyacutekon [W] i - proudovaacute hustota [Acm2] V - napětiacute [V] Dalšiacute charakteristikou palivoveacuteho člaacutenku je křivka vyacutekonoveacute hustoty kteraacute ukazuje vyacutekonovou hustotu dodanou palivovyacutem člaacutenkem jako funkci proudoveacute hustoty Schematicky je tato zaacutevislost znaacutezorněna na obraacutezku 18

Obr 18 Křivka vyacutekonoveacute hustoty [8]

Vyacutekonovaacute hustota palivoveacuteho člaacutenku roste s rostouciacute proudovou hustotou dosaacutehne maxima a poteacute dochaacuteziacute k poklesu při staacutele vysokeacute proudoveacute hustotě Palivoveacute člaacutenky jsou navrhovaacuteny pro praacuteci v nebo těsně pod maximem vyacutekonoveacute hustoty Při proudoveacute hustotě pod maximem vyacutekonoveacute hustoty se zlepšuje uacutečinnost

50

napětiacute ale klesaacute vyacutekonovaacute hustota Při proudoveacute hustotě vyššiacute než je maximum vyacutekonoveacute hustotě klesaacute uacutečinnost napětiacute a vyacutekonovaacute hustota Potenciaacutel systeacutemu vykonaacutevat elektrickou praacuteci je měřen pomociacute napětiacute normaacutelniacuteho stavu vratneacuteho napětiacute je

E0 = minus Δgrxn0

n sdotFkde Δg0rxn je změna Gibssovy volneacute energie n počet molů přenesenyacutech elektronů F Faradayova konstanta Při standardniacutech podmiacutenkaacutech je maximaacutelniacute napětiacute ziacuteskaneacute pro vodiacuteko-kysliacutekoveacute palivo rovnu 123 V Pro ziacuteskaacuteniacute použitelneacuteho napětiacute jsou tak palivoveacute člaacutenky spojovaacuteny do seacuteriiacute Vratneacute napětiacute palivoveacuteho člaacutenku vysoce na provozniacutech podmiacutenkaacutech jako je teplota tlak a chemickaacute aktivita Korelace napětiacute a teploty je reprezentovaacutena naacutesledujiacuteciacute rovniciacute

dEdT

= Δsn sdotF

kde Δs je změna entropie pro palivoveacute člaacutenky je entropie negativniacute vratneacute napětiacute maacute potom tendenci klesat s rostouciacute teplotou Napětiacute se měniacute se změnou tlaku podle vztahu

dEdp

= minus Δvn sdotF

kde Δv je změna objemu Změna vratneacuteho napětiacute s tlakem je spojena se změnou objemu reakce Pokud je změna objemu reakce zaacutepornaacute potom napětiacute roste s rostouciacutem tlakem Tlak a teplota majiacute minimaacutelniacute vliv na vratneacute napětiacute Chemickaacute aktivita maacute vyacuteznamnějšiacute vliv kteryacute se daacute určit pomociacute Nernstovi rovnice

E = E0 minus R sdotTn sdotF

lnaprodviprodareakviprod

Nernstova rovnice uvaacutediacute vztah mezi ideaacutelniacutem standardniacutem potenciaacutelem E0

pro reakci ve člaacutenku ideaacutelniacute rovnovaacutehou potenciaacutelu E při jinyacutech teplotaacutech a parciaacutelniacutem tlaku reaktantů a produktu Jakmile je znaacutem ideaacutelniacute standardniacute potenciaacutel lze určit i ideaacutelniacute napětiacute pro různeacute teploty a tlaky podle Nernstovi rovnice Z teacuteto rovnice pro vodiacutekovou reakci plyne že ideaacutelniacute potenciaacutel člaacutenku při daneacute teplotě může byacutet zvyacutešen pomociacute provozu za vyššiacuteho tlaku reaktantů Nernstova rovnice plně nevysvětluje vliv teploty

44 Uacutečinnost palivovyacutech člaacutenků

Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je funkce napětiacute člaacutenku Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je

ε termo =ΔGΔH

kde ΔG je Gibbsova volnaacute energie ΔH je entalpie Teoretickaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku určena z tohoto vztahu se rovnaacute 83 Skutečneacute napětiacute při provozu palivoveacuteho člaacutenku je menšiacute než reversibilniacute potenciaacutel to maacute za naacutesledek že uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je vždy nižšiacute než teoretickaacute Tento jev je způsoben ztraacutetami při využitiacute paliva a ztraacutetami napětiacute Skutečnou uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku můžeme určit ze vztahu

51

ε skut = ε termo sdotεnapeti sdotε palivo

kde εtermo je reversibilniacute termodynamickaacute uacutečinnost člaacutenku εnapeti je uacutečinnost napětiacute a εpalivo ztraacutety při utilizaci paliva Uacutečinnost napětiacute zahrnuje ztraacutety způsobeny nevratnyacutem kinetickyacutem efektem v palivoveacutem člaacutenku Je to poměr mezi provozniacutem napětiacute palivoveacuteho člaacutenku V a termodynamickeacuteho reversibilniacuteho napětiacute člaacutenku E

εnapeti =VE

Uacutečinnost utilizace paliva vyjadřuje fakt že ne všechno palivo dodaneacute do člaacutenku se bude podiacutelet na elektrochemickeacute reakci Uacutečinnost je poměr paliva použiteacuteho na produkci daneacuteho množstviacute elektrickeacute energie ku celkoveacutemu množstviacute paliva dodaneacuteho do palivoveacuteho člaacutenku kde i je proud generovaacuten palivovyacutem člaacutenkem a vpalivo je rychlost dodaacutevaacuteniacute paliva do člaacutenku [molsec]

ε palivo =i n sdotFvpalivo

Kombinaciacute vztahů pro jednotliveacute uacutečinnosti dostaneme naacutesledujiacuteciacute vztah pro skutečnou uacutečinnost člaacutenku

ε skut =Δg

ΔhHHVsdotVEsdot i n sdotFvpalivo

Na obraacutezku 19 je porovnaacuteniacute uacutečinnostiacute jednotlivyacutech metod vyacuteroby elektrickeacute energie Z obraacutezku je jasně patrneacute že celkovaacute uacutečinnost palivovyacutech člaacutenku převyšuje ostatniacute způsoby vyacuteroby elektrickeacute energie

Obr 19 Uacutečinnost vyacuteroby elektrickeacute energie [8]

52

45Typy palivovyacutech člaacutenků

Jednotliveacute typy palivovyacutech člaacutenků se lišiacute předevšiacutem typem použiteacuteho elektrolytu Typ elektrolytu určuje provozniacute teplotu jež se pro různeacute typy palivovyacutech člaacutenků vyacuterazně lišiacute

451 Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech vyššiacutech než 600 degC (1100degF) Tyto vysokeacute teploty umožňujiacute samovolnyacute vnitřniacute reforming lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv jako je metan ndash na vodiacutek a uhliacutek za přiacutetomnosti vody Reakce probiacutehajiacuteciacute na anodě za podpory nikloveacuteho katalyzaacutetoru poskytuje dostatek tepla požadovaneacuteho pro proces parniacuteho reformingu Vnitřniacute reforming odstraňuje potřebu samostatneacuteho zařiacutezeniacute na zpracovaacuteniacute paliva a umožňuje palivoveacutemu člaacutenku zpracovaacutevat i jinaacute paliva než čistyacute vodiacutek Tyto vyacuteznamneacute vyacutehody vedou k naacuterůstu celkoveacute uacutečinnosti teacuteměř o 15 Během naacutesledujiacuteciacute elektrochemickeacute reakce je uvolňovaacutena chemickaacute energie kterou palivovyacute člaacutenek zpracovaacutevaacute Tato chemickaacute energie pochaacuteziacute z reakce mezi vodiacutekem a kysliacutekem při ktereacute vznikaacute voda Z reakce mezi oxidem uhelnatyacutem a kysliacutekem jejiacutemž produktem je oxid uhličityacute Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky produkujiacute takeacute vysokopotenciaacutelniacute odpadniacute teplo jež může byacutet použito pro uacutečely kogenerace Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky reagujiacute velmi snadno a bez potřeby drahyacutech katalyzaacutetorů z ušlechtilyacutech kovů Množstviacute energie uvolněneacute elektrochemickou reakciacute klesaacute s rostouciacute provozniacute teplotou člaacutenku Vysokoteplotniacute palivoveacute člaacutenky jsou naacutechylneacute na materiaacuteloveacute poruchy Maleacute množstviacute materiaacutelu je schopno po dlouho dobu při vysokyacutech teplotaacutech pracovat bez degradace Vysokoteplotniacute provoz neniacute vhodnyacute pro rozsaacutehleacute vyacuteroby nebo pro aplikace kde je požadovaacuten rychlyacute start zařiacutezeniacute Současneacute aplikace teacuteto metody se zaměřujiacute na stacionaacuterniacute elektraacuterenskeacute zdroje Nejvyacuteznamnějšiacutemi vysokoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů tzv MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů MCFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi tekutyacutech uhličitanů využiacutevajiacute elektrolytu kteryacute je schopen přenaacutešet uhličitanoveacute ionty CO3 2- od katody k anodě Elektrolyt se sklaacutedaacute z roztaveneacute směsi uhličitanu lithia a uhličitanu draselneacuteho Směs je udržovaacutena pomociacute kapilaacuterniacutech sil v keramickeacute podpůrneacute mřiacutežce z hlinitanu litneacuteho Při provozniacute teplotě se struktura elektrolytu změniacute na stav podobnyacute pastě kteraacute umožňuje uacuteniky plynů na okrajiacutech člaacutenku Tyto palivoveacute člaacutenky pracujiacute s teplotami okolo 650 degC a tlaky v rozmeziacute relativniacutech hodnot 1 až 10 barů Každyacute člaacutenek je schopen produkovat stejnosměrneacute napětiacute mezi 07 a 1 V Princip fungovaacuteniacute tohoto člaacutenku je na obraacutezku 20

53

Obr 20 Scheacutema člaacutenku MCFC [8]

Palivoveacute člaacutenky na baacutezi tekutyacutech uhličitanů jsou schopneacute provozu při zaacutesobovaacuteniacute jak čistyacutem vodiacutekem tak lehkyacutemi uhlovodiacutekovyacutemi palivy Palivo napřiacuteklad metan je dopraveno na anodu za přiacutetomnosti vody přijme teplo a podstoupiacute reakci parniacuteho reformingu

CH 4 + H2Orarr 3H2 +CO Pokud bude jako palivo použit jinyacute lehkyacute uhlovodiacutek potom se může počet molekul vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho změnit ale produkty reakce jsou v podstatě vždy stejneacute Reakce na anodě molekuly vodiacuteku s uhličitanovyacutem iontem probiacutehaacute bez ohledu na druh použiteacuteho paliva a vypadaacute naacutesledovně

H2 +CO32minus rarr H2O +CO2 + 2e

minus

Reakce probiacutehajiacuteciacute na katodě a to kysliacuteku s oxidem uhličityacutem probiacutehaacute opět bez ohledu na druhu paliva

O2 + 2CO2 + 4eminus rarr 2CO3

2minus

Iont CO3 2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě Dochaacuteziacute k reakci iontu CO3 2- jak s vodiacutekem tak oxidem uhelnatyacutem Elektrony prochaacutezejiacute přes elektrickou zaacutetěž nachaacutezejiacuteciacute se ve vnějšiacute čaacutesti elektrickeacuteho obvodu od anody ke katodě Celkovaacute reakce na člaacutenku je tedy

2H2 +O2 rarr 2H2O Vyacuteslednaacute reakce oxidu uhelnateacuteho ke ktereacute dochaacuteziacute pouze v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Produktem palivoveacuteho člaacutenku bez ohledu na palivo je voda V přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva je kromě vody produktem takeacute oxid uhličityacute Pro zajištěniacute plynulosti zajištěniacute kvality elektrochemickeacute reakce musiacute byacutet oba produkty plynule odvaacuteděny z katody člaacutenku

54

Mezi hlavniacute vyacutehody palivovyacutech člaacutenků s tekutyacutemi uhličitany patřiacute podpora samovolneacuteho vnitřniacuteho reformingu lehkyacutech uhlovodiacutekovyacutech paliv vyacuteroba vysoko-potenciaacutelniacuteho tepla Samotnaacute reakce nepotřebuje katalyzaacutetory z ušlechtilyacutech kovů maacute velmi dobrou kinetiku a uacutečinnost Palivoveacute člaacutenky ovšem takeacute traacutepiacute mnoho nevyacutehod a provozniacutech omezeniacute Je potřeba vyvinou materiaacutely odolneacute vůči korozi při vysokyacutech teplotaacutech s malyacutem součinitelem objemoveacute roztažnosti ktereacute jsou vysoce mechanicky a tepelně odolneacute a jejichž vyacuteroba je technicky možnaacute Koroze je největšiacute probleacutem těchto člaacutenků Koroze způsobuje oxidaci niklu katody a jeho rozpuštěniacute v elektrolytu to může způsobit zhoršeniacute stavu separaacutetoru vysušeniacute či zaplaveniacute elektrod Korozniacute vlivy způsobujiacute pokles vyacutekonu a zkraacuteceniacute životnosti člaacutenku Rozměrovaacute nestaacutelost způsobenaacute objemovou roztažnostiacute může způsobit zničeniacute elektrod ktereacute změniacute povrch aktivniacute oblasti to může miacutet za naacutesledek ztraacutetu kontaktu a vysokyacute odpor mezi jednotlivyacutemi čaacutestmi člaacutenku Tekutyacute elektrolyt přinaacutešiacute probleacutemy s manipulaciacute člaacutenku Největšiacute nevyacutehodou je dlouhaacute doba potřebnaacute k rozběhu tento fakt tyto člaacutenky odsoudil do pozice použiacutevaacuteniacute pouze ve stacionaacuterniacutech aplikaciacutech

4511 Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi pevnyacutech oxidů SOFC

Palivoveacute člaacutenky použiacutevajiacute elektrolyt schopnyacute veacutest kysliacutekoveacute ionty O-2 od katody k anodě je to opačnyacute směr než u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků jež vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je tvořen z pevnyacutech oxidů ktereacute majiacute podobu keramiky obvykle zirkonia (stabilizovaneacuteho dalšiacutemi oxidy kovů vzaacutecnyacutech zemin jako je ytrium) Člaacutenky jsou sestavovaacuteny postupnyacutem uklaacutedaacuteniacutem různyacutech vrstev materiaacutelu Běžnaacute uspořaacutedaacuteniacute použiacutevajiacute trubicoveacute či plocheacute tvary jednotlivyacutech člaacutenků Tvary ovlivňujiacute povrch člaacutenku a takeacute těsněniacute člaacutenku a to nejen v důsledku průsaku mezi kanaacutelky paliva a oxidantu ale takeacute vlivem elektrickeacuteho zapojeniacute jednotlivyacutech člaacutenků do bloku Pro materiaacutel elektrod mohou byacutet použity kovy typu niklu a kobaltu Palivoveacute člaacutenky SOFC pracujiacute s teplotami okolo 1000degC a relativniacutemi tlaky kolem 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 08 až 10 V

Obr 21 Scheacutema SOFC [18]

55

Palivoveacute člaacutenky mohou stejně jako MCFC člaacutenky pracovat jak s čistyacutem vodiacutekem tak uhlovodiacutekovyacutemi palivy Vstupniacute palivo se potom sklaacutedaacute jak z vodiacuteku tak z oxidu uhelnateacuteho Reakce na anodě jsou naacutesledujiacuteciacute

H2 +Ominus2 rarr H2O + 2eminus

CO +O2minus rarrCO2 + 2eminus

Reakce na katodě 1 2O2 + 2e

minus rarrO2minus

Iont O2- prochaacuteziacute elektrolytem od katody k anodě vlivem chemickeacute přitažlivosti vodiacuteku a oxidu uhelnateacuteho Uvolněneacute elektrony prochaacutezejiacute vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě V tomto přiacutepadě se ionty pohybujiacute od katody k anodě což je opačnyacute pohyb než probiacutehaacute u většiny niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků Produkty reakciacute se tedy hromadiacute spiacuteše na anodě než na katodě Po spojeniacute reakciacute na anodě a katodě můžeme psaacutet vyacutesledneacute reakce člaacutenku

H2 +1 2O2 rarr H2OCO +1 2O2 rarrCO2

Palivoveacute člaacutenky SOFC tedy produkujiacute vodu bez ohledu na použiteacute palivo oxid uhličityacute v přiacutepadě použitiacute uhlovodiacutekoveacuteho paliva Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet oba druhy reagentů plynule odvaacuteděny z katody Mezi hlavniacute vyacutehody těchto člaacutenků patřiacute opět umožněniacute samovolneacuteho reformingu uhlovodiacutekovyacutech paliv jelikož ionty kysliacuteku prochaacutezejiacute přes elektrolyt leacutepe než ionty vodiacuteku mohou byacutet tyto člaacutenky použity k oxidaci plynneacuteho paliva Dokaacutežiacute pracovat stejně dobře jak se suchyacutemi tak i vlhkyacutemi palivy Majiacute stejně jako MCFC velkou kinetiku reakce a vysokou uacutečinnost V porovnanaacute s MCFC člaacutenky mohou pracovat s vyššiacute proudovou hustotou a pevnyacute elektrolyt umožňuje snadnějšiacute manipulaci a možnost vyacuteroby rozličnyacutech tvarů a uspořaacutedaacuteniacute Nepotřebujiacute katalyzaacutetor z ušlechtilyacutech kovů Hlavniacute nevyacutehody jsou opět spojeny s vyacutevojem vhodnyacutech materiaacutelů Je zde nutnost vyacutevoje vhodnyacutech materiaacutelů ktereacute majiacute požadovanou vodivost jak elektrickou tak tepelnou a ktereacute zachovaacutevajiacute pevneacute skupenstviacute i při vysokyacutech teplotaacutech jsou chemicky slučitelneacute (kompatibilniacute) s ostatniacutemi čaacutestmi člaacutenku jsou rozměrově staacuteleacute majiacute vysokou mechanickou odolnost a jejichž vyacuteroba je dostatečně technicky zvlaacutednuta Mnoho materiaacutelů je možno použiacutet pro vysokeacute teploty aniž by změnily svoje skupenstviacute na jineacute než pevneacute Vybraneacute materiaacutely musiacute byacutet dostatečně husteacute aby zabraacutenily promiacutechaacutevaacuteniacute paliva s oxidačniacutemi plyny a musiacute miacutet dostatečnou podobnost charakteristik tepelnyacutech roztažnostiacute aby nedošlo k jejich štěpeniacute na vrstvy a k jejich praskaacuteniacute během tepelneacuteho cyklu SOFC palivoveacute člaacutenky jsou citliveacute na přiacutetomnost siacutery v palivu kteraacute nesmiacute překročit hodnotu 500 ppm Celkově je ovšem zatiacutem technologie SOFC nedostatečně vyspělaacute

56

452Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky

Niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute obvykle s teplotami nižšiacutemi než 250 degC Tyto niacutezkeacute teploty neumožňujiacute vnitřniacute reforming paliva v důsledku čehož vyžadujiacute niacutezkoteplotniacute palivoveacute člaacutenky vnějšiacute zdroj vodiacuteku Na druhou stranu vykazujiacute rychlyacute rozběh zařiacutezeniacute a trpiacute menšiacute poruchovostiacute konstrukčniacutech materiaacutelů Jsou takeacute mnohem vhodnějšiacute pro aplikace v dopravě Nejvyacuteznamnějšiacutemi niacutezkoteplotniacutemi palivovyacutemi člaacutenky jsou palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC alkalickeacute palivoveacute člaacutenky AFC palivoveacute člaacutenky s protonovou membraacutenou PEM FC a palivoveacute člaacutenky s přiacutemyacutem zpracovaacuteniacutem methanolu DMFC

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky pracujiacute s elektrolytem jenž je schopnyacute veacutest hydroxidoveacute ionty od katody k anodě I tento typ se lišiacute od většiny niacutezkoteplotniacutech člaacutenků ktereacute vedou vodiacutekoveacute ionty od anody ke katodě Elektrolyt je složen z roztaveneacute alkalickeacute směsi hydroxidu draselneacuteho Elektrolyt může byacutet jak pohyblivyacute tak i pevnyacute Palivoveacute člaacutenky s nepohyblivyacutemi elektrolytem použiacutevajiacute tuhyacute elektrolyt jež je udržovaacuten pohromadě pomociacute kapilaacuterniacutech sil uvnitř poreacutezniacute podpůrneacute krystalickeacute mřiacutežky kteraacute je tvořena azbestem Hmota samotnaacute zajišťuje těsněniacute proti uacuteniku plynů na okraji člaacutenku Produkovanaacute voda se odpařuje do proudu zdrojoveacuteho vodiacutekoveacuteho plynu na straně anody kde současně dochaacuteziacute k jejiacute kondenzaci Odpadniacute teplo je odvaacuteděno přes obiacutehajiacuteciacute chladivo Alkalickeacute člaacutenky pracujiacute v rozmeziacute teplot 65 až 220degC a při relativniacutem tlaku okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vytvaacuteřet stejnosměrneacute napětiacute mezi 11 až 12 V Zjednodušeneacute scheacutema je na obraacutezku 22

Obr 22 Scheacutema alkalickeacuteho člaacutenku [18]

Alkalickeacute palivoveacute člaacutenky musiacute pracovat pouze s čistyacutem vodiacutekem bez přiacuteměsi oxidů uhliacuteku Na anodě se odehraacutevajiacute naacutesledujiacuteciacute reakce

H2 + 2K+ + 2OH minus rarr 2K + 2H2O

2Krarr 2K + + 2eminusReakce na katodě jsou tyto

57

1 2O2 + H2Orarr 2OH

2OH + 2eminus rarr 2OH minus

Hydroxidoveacute ionty OH- prochaacutezejiacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem chemickeacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny obiacutehat vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem od anody ke katodě Sloučeniacutem anodovyacutech a katodovyacutech reakciacute můžeme napsat celkoveacute reakce pro alkalickyacute palivovyacute člaacutenek

H2 + 2OHminus rarr 2H2 + 2e

minus

1 2O2 + H2O + 2eminus rarr 2OH minus

Alkalickyacute palivovyacute člaacutenek produkuje vodu jež se odpařuje do proudu vstupujiacuteciacuteho vodiacuteku (v přiacutepadě systeacutemů s nepohyblivyacutem elektrolytem) či je odvaacuteděna z palivoveacuteho člaacutenku s elektrolytem (u systeacutemů s pohyblivyacutem elektrolytem) Pro zachovaacuteniacute kvality reakce musiacute byacutet tato voda z člaacutenku odvaacuteděna plynule Mezi vyacutehody AFC člaacutenků patřiacute niacutezkaacute provozniacute teplota rychleacute startovaciacute časy (při teplotě rovneacute teplotě okoliacute jsou schopny dodat 50 jmenoviteacuteho vyacutekonu) Člaacutenek je vysoce uacutečinnyacute a spotřebovaacutevaacute minimaacutelniacute množstviacute platinoveacuteho katalyzaacutetoru AFC se vyznačuje malou hmotnostiacute a objemem minimaacutelniacute koroziacute a relativně jednoduchyacutem provozem Mezi nevyacutehody patřiacute potřeba čisteacuteho vodiacuteku jako paliva relativně kraacutetkaacute životnost a potřeba složiteacuteho systeacutemu vodniacuteho hospodaacuteřstviacute Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute PAFC

Palivoveacute člaacutenky s elektrolytem tvořenyacutem kapalnou kyselinou fosforečnou je schopen veacutest vodiacutekoveacute ionty (protony) H+ od anody směrem ke katodě Kyselina fosforečnaacute se nachaacuteziacute uvnitř krystalickeacute mřiacutežky tvořeneacute karbidem křemiacuteku (některeacute palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyselin použiacutevajiacute jako elektrolyt kyselinu siacuterovou) PAFC člaacutenky pracujiacute při teplotaacutech od 150 do 205degC a s relativniacutem tlakem okolo 1 baru Každyacute člaacutenek je schopen vyrobit stejnosměrneacute napětiacute o velikosti 11 V U PAFC člaacutenků reaguje vodiacutek s kysliacutekem Reakci na anodě můžeme popsat naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

Reakce na katodě maacute potom tento tvar1 2O2 + 2e

minus + 2H + rarr H2O Proton vodiacuteku prochaacuteziacute elektrolytem od anody směrem ke katodě na zaacutekladě přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou nuceny prochaacutezet vnějšiacutem elektrickyacutem obvodem v opačneacutem směru Sloučeniacutem anodoveacute a katodoveacute reakce ziacuteskaacuteme obecnou reakci pro člaacutenek kterou můžeme popsat2H2 +O2 rarr 2H2O PAFC člaacutenky produkujiacute voda kteraacute se hromadiacute na katodě Abychom zajistili dostatečnou kvalitu reakce musiacute byacutet produktovaacute voda postupně ze člaacutenku odvaacuteděnaPAFC člaacutenky jsou schopny sneacutest vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho v palivu (až 30) a proto PAFC nepožadujiacute čištěniacute vzduchu jako okysličovadla a reformaacutetoru jako paliva Pracujiacute při niacutezkyacutech provozniacutech teplotaacutech i tak jsou tyto teploty o něco vyššiacute než u ostatniacutech niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenciacutech proto produkujiacute odpadniacute teplo o vyššiacutem potenciaacutelu ktereacute může byacutet využito v kogeneračniacutech aplikaciacutech

58

PAFC člaacutenky jsou naacutechylneacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu kteryacute nesmiacute přesaacutehnout 2 Daacutele jsou citliveacute na obsah siacutery v palivu maximaacutelniacute obsah siacutery by neměl překročit 50 ppm Tiacutem že se použiacutevaacute korozivniacute tekutyacute elektrolyt vznikajiacute probleacutemy s koroziacute konstrukčniacutech materiaacutelů PAFC jsou velkeacute a těžkeacute a nejsou schopny samostatneacuteho reformingu uhliacutekovyacutech paliv Je potřeba jednotku před provozem zahřaacutet a musiacute byacutet trvale udržovaacuteny na provozniacute teplotě Noveacute formy palivovyacutech člaacutenků s elektrolytem na baacutezi kyselin využiacutevajiacute pevnyacutech kyselinovyacutech elektrolytů Tyto člaacutenky jsou vyrobeny ze sloučenin typu CsHSO4 pracujiacute s teplotami až do 250 degC a s napětiacutem napraacutezdno (otevřeneacuteho obvodu) 111 V DC Daacutele nabiacutezejiacute vyacutehodu provozu bez vlhkosti při zmiacuterněniacute citlivosti na oxid uhelnatyacute a možnosti samostatneacuteho reformingu metanolu Trpiacute však degradaciacute vlivem obsahu siacutery velikou houževnatostiacute (tvaacuternostiacute) při teplotaacutech nad 125 degC a rozpustnostiacute ve vodě Vyacuterobniacute techniky pro praktickeacute využitiacute nebyly ještě vyvinuty

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami PEM FC

Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami (nebo teacutež člaacutenky s pevnyacutem polymerem) použiacutevajiacute elektrolyt jenž je schopnyacute veacutest protony H+ od anody ke katodě Elektrolyt je vytvořen z pevneacuteho polymerniacuteho filmu kteryacute se sklaacutedaacute z okyseleneacuteho teflonu Fyzicky je každyacute palivovyacute člaacutenek vytvořen z membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA - Membrane Electrode Assembly) jež se sklaacutedaacute z anody katody elektrolytu a katalyzaacutetorů Všechny čaacutesti jsou umiacutestěny mezi dvěma deskami vyrobenyacutemi z grafitu a označovanyacutemi jako bipolaacuterniacute desky (Flow Field Plates desky s kanaacutelky pro rozvod plynů paliva a okysličovadla) Tyto desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo k jednotlivyacutem stranaacutem membraacutenoveacuteho uskupeniacute (MEA) Chladivo se použiacutevaacute k regulaci reakčniacute teploty palivoveacuteho člaacutenku Pro snadnějšiacute regulaci jsou mezi každyacute palivovyacute člaacutenek umiacutestěny chladiacuteciacute desky Tyto chladiacuteciacute desky rozvaacutedějiacute chladivo uvnitř palivoveacuteho člaacutenku za uacutečelem absorpce či dodaacutevky požadovaneacuteho tepla Těsněniacute mezi grafitovyacutemi deskami zajišťuje aby se proud okysličovadla paliva a chladiva uvnitř palivoveacuteho člaacutenku nepromiacutechal Elektrickeacute desky (koncoveacute elektrody člaacutenku) jsou umiacutestěny na uacuteplnyacutech konciacutech do seacuterie řazenyacutech bipolaacuterniacutech desek (Flow Field Plates) Tyto desky se spojujiacute se svorkami ze kteryacutech je ziacuteskaacutevaacutena elektrickaacute energie palivoveacuteho člaacutenku (stacku) V přiacutepadě velkyacutech palivovyacutech člaacutenků musiacute byacutet jednotliveacute desky stlačeny a sešroubovaacuteny dohromady pomociacute tyčiacute či spojeny jinyacutem mechanickyacutem způsobem Elektrody zprostředkovaacutevajiacute přechod mezi deskami s rozvodnyacutemi kanaacutelky a elektrolytem Musiacute umožnit průnik vlhkyacutem plynům poskytnout reakčniacute povrch v miacutestě styku s elektrolytem musiacute byacutet vodiveacute pro volneacute elektrony jež proteacutekajiacute od anody ke katodě a musiacute byacutet zkonstruovaacuteny ze vzaacutejemně slučitelnyacutech materiaacutelů Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute papiacuter s uhliacutekovyacutemi vlaacutekny poněvadž je poreacutezniacute hydrofobniacute (nesmaacutečivyacute) vodivyacute a nekorodujiacuteciacute Materiaacutel elektrod je velmi tenkyacute v důsledku maximalizace (vystupňovaacuteniacute) množstviacute dopravovaneacuteho plynu a vody Katalyzaacutetor se přidaacutevaacute na povrch každeacute elektrody na stranu elektrolytu za uacutečelem naacuterůstu rychlosti průběhu chemickeacute reakce Katalyzaacutetor podporuje chemickou reakci aniž by byl během teacuteto reakce spotřebovaacutevaacuten Z tohoto důvodu se obvykle použiacutevaacute platina neboť vykazuje vysokou elektro-katalytickou činnost chemickou stabilitu a elektrickou vodivost Platina je velmi drahaacute takže jejiacute množstviacute

59

(znaacutemeacute jako katalyzaacutetoroveacute naacuteklady) ovlivňuje cenu palivoveacuteho člaacutenku Konstrukteacuteři palivovyacutech člaacutenků usilujiacute o minimalizaci množstviacute použiteacute platiny za současneacuteho zachovaacuteniacute vyacutekonu palivoveacuteho člaacutenku Elektrolyt tvořiacute tenkaacute membraacutena z plastoveacuteho filmu jejiacutež tloušťka je obvykle od 50 do 175 microm (mikronů) Tyto membraacuteny se sklaacutedajiacute z fluorem dotovanyacutech siřičitanovyacutech kyselin ktereacute stejně jako teflonoveacute fluoro-uhliacutekoveacute polymery majiacute řetězec končiacuteciacute zbytkem kyseliny siřičiteacute (-SO3-2) Palivoveacute člaacutenky s protonovyacutemi membraacutenami použiacutevajiacute totiž kyselyacute elektrolyt stejně jako palivoveacute člaacutenky s elektrolytem na baacutezi kyseliny fosforečneacute Všechny kyseleacute pevneacute elektrolyty vyžadujiacute přiacutetomnost molekul vody pro vodivost vodiacutekovyacutech iontů (protonů) poněvadž vodiacutekoveacute ionty se pohybujiacute společně s molekulami vody v průběhu vyacuteměnneacute iontoveacute reakce Podiacutel vody k vodiacutekovyacutem iontům u efektivniacute vodivosti je obvykle okolo 31 Z tohoto důvodu musiacute byacutet plyny v kontaktu s membraacutenou nasyceneacute vodou pro lepšiacute funkci palivoveacuteho člaacutenku Na molekulaacuterniacute uacuterovni maacute polymer trubicovitou strukturu ve ktereacute jsou skupiny siřičitanovyacutech kyselin na vnitřniacutem povrchu trubic Tyto skupiny poskytujiacute hydrofilniacute (majiacute přiacutechylnost k vodě lehce smaacutečitelneacute) potrubiacute pro vedeniacute vody Vnějšiacute čaacutesti trubic jsou z hydrofobniacuteho fluorovaneacuteho materiaacutelu Trubkoviteacute struktury se scvrkaacutevajiacute a přeskupujiacute s poklesy obsahu vody Při stlačovaacuteniacute (zužovaacuteniacute) těchto trubek během dehydratace rapidně klesaacute vodivost což vede k naacuterůstu odporu kontaktu mezi membraacutenou a elektrodou To může veacutest až k prasklinaacutem a diacuteraacutem v membraacuteně Všechny elektrolyty musiacute vykazovat zaacutekladniacute vlastnosti jimiž jsou vodič protonů elektronovyacute izolant (nejsou schopny veacutest elektrony) a separaacutetor plynů Vyacuterobci se takeacute snažiacute produkovat membraacuteny ktereacute majiacute odpoviacutedajiacuteciacute mechanickou pevnost rozměrovou staacutelost (odolnost vůči vybouleniacute) vysokou iontovou vodivost niacutezkou atomovou hmotnost (vaacuteha polymeru vztaženaacute k množstviacute kyselyacutech zbytků) a jsou snadno zhotovitelneacute Do jisteacute miacutery je možneacute mechanickou a rozměrovou staacutelost polymeru zajistit jeho včleněniacutem do membraacutenoveacuteho uskupeniacute jež poskytne podpůrnou strukturu

Obr 23 PEM člaacutenek firmy Horizon zdroj [19]

Bipolaacuterniacute desky rozvaacutedějiacute palivo a okysličovadlo na obou vnějšiacutech stranaacutech membraacutenoveacuteho uskupeniacute Každaacute z těchto desek obsahuje kanaacutelky serpentinoviteacuteho tvaru ktereacute maximalizujiacute kontakt plynu s membraacutenovyacutem uspořaacutedaacuteniacutem Specifickyacute tvar kanaacutelků pro plyn je kritickyacute pro homogenniacute vyacuterobu elektrickeacute energie staacutelyacute vyacutekon člaacutenku a spraacutevnou funkci vodniacuteho hospodaacuteřstviacute člaacutenku Tvary bipolaacuterniacutech desek jsou vyraacuteběny v zaacutevislosti na použitiacute palivovyacutech člaacutenků Každaacute deska musiacute byacutet elektricky

60

vodivaacute Proud vznikajiacuteciacute během elektrochemickeacute reakce může teacuteci z jednoho člaacutenku do druheacuteho až k postranniacutem deskaacutem ze kteryacutech je elektrickaacute energie odebiacuteraacutena do vnějšiacuteho elektrickeacuteho obvodu Desky se obvykle vyraacutebějiacute z grafitu (uhliacuteku) přičemž kanaacutelky jsou vyrobeny technologiiacute obraacuteběniacute nebo lisovaacuteniacute Grafit se upřednostňuje jako materiaacutel pro svou vynikajiacuteciacute vodivost a relativně niacutezkeacute naacuteklady Je potřeba miacutet na paměti zvlhčovaacuteniacute reakčniacutech plynů v palivovyacutech člaacutenciacutech Bez zvlhčeniacute se nedosaacutehne požadovanaacute iontovaacute vodivost a může dojiacutet ke zničeniacute palivoveacuteho člaacutenku Množstviacute vody kteryacute je schopen plyn pojmout je zaacutevisleacute na teplotě při zvlhčovaacuteniacute Ciacutelem zvlhčovaacuteniacute je nasytit reakčniacute plyny co největšiacutem množstviacutem vodniacutech par Plyny jsou zvlhčovaacuteny při provozniacute teplotě palivoveacuteho člaacutenku Při zvlhčovaacuteniacute za vyššiacutech teplot může čaacutest vodniacutech par v palivoveacutem člaacutenku kondenzovat Vnitřniacute (interniacute) zvlhčovače se sklaacutedajiacute z přiacutedavnyacutech seacuteriiacutech grafitovyacutech desek začleněnyacutech do palivoveacuteho člaacutenku Tiacutemto dochaacuteziacute k rozděleniacute bloku palivoveacuteho člaacutenku na aktivniacute čaacutest kteraacute obsahuje palivoveacute člaacutenky a neaktivniacute čaacutest jež obsahuje desky zvlhčovače Desky zvlhčovače jsou obdobneacute bipolaacuterniacutem deskaacutem a využiacutevajiacute se k rozvodu plynu a vody po hydrofilniacute membraacuteně Voda se přemiacutesťuje přes membraacutenu a sytiacute omyacutevajiacuteciacute plyn Membraacuteny tohoto typu jsou již komerčně dostupneacute Vnitřniacute zvlhčovače odebiacuterajiacute vodu přiacutemo z chladiacuteciacuteho okruhu (z proudu chladiacuteciacuteho meacutedia) a vyuacutesťujiacute v jednoduchyacute integrovanyacute systeacutem s dobře propojenyacutemi teplotniacutemi charakteristikami Takoveacute uspořaacutedaacuteniacute předem vylučuje využitiacute jineacuteho chladiacuteciacuteho meacutedia než čisteacute vody Čistaacute voda naviacutec zhoršuje probleacutemy při startu palivoveacuteho člaacutenku neboť při niacutezkyacutech teplotaacutech může dojiacutet k jejiacutemu zamrznutiacute Kromě toho vede zakomponovaacuteniacute zvlhčovače do palivoveacuteho člaacutenku k naacuterůstu rozměrů palivoveacuteho člaacutenku a komplikuje jeho opravy neboť obě čaacutesti musiacute byacutet opravovaacuteny současně Vnějšiacute zvlhčovače se nejčastěji navrhujiacute jako membraacutenoveacute či kontaktniacute Membraacutenoveacute jsou založeny na obdobneacutem principu jako vnitřniacute zvlhčovače avšak jsou umiacutestěny odděleně Kontaktniacute zvlhčovače využiacutevajiacute principu rozprašovaacuteniacute zvlhčovaciacute vody na horkyacute povrch či do komory s velkou povrchovou plochou kterou proteacutekaacute jeden z reagujiacuteciacutech plynů Voda se potom odpařuje přiacutemo do plynu a způsobuje jeho nasyceniacuteVnějšiacute zvlhčovače mohou odebiacuterat vodu z chladiacuteciacuteho okruhu nebo mohou byacutet vybaveny samostatnyacutem vodniacutem okruhem Vyacutehody a nevyacutehody pro přiacutepad odběru vody z okruhu chladiacuteciacuteho meacutedia jsou stejneacute jako u vnitřniacutech zvlhčovačů V přiacutepadě zvlhčovače se samostatnyacutem vodniacutem okruhem může byacutet jako chladivo použito meacutedium s vyššiacutemi niacutezkoteplotniacutemi charakteristikami než maacute voda čiacutemž se však stane vzaacutejemnaacute vazba mezi teplotou zvlhčovače a palivoveacuteho člaacutenku daleko komplikovanějšiacute Bez ohledu na zdroj vody vede využiacutevaacuteniacute vnějšiacuteho zvlhčovače k nutnosti použitiacute samostatnyacutech součaacutestiacute ktereacute jsou pravděpodobně rozměrnějšiacute a takeacute mohutnějšiacute zvlaacuteště v přiacutepadě kontaktniacuteho zvlhčovače PEM člaacutenky pracujiacute s teplotami 70 až 90 degC a relativniacutem tlakem 1 až 2 bary Každyacute člaacutenek je schopnyacute generovat napětiacute okolo 11 V

61

Obr 24 Scheacutema PEM člaacutenku [18] V palivovyacutech člaacutenciacutech typu PEM spolu reagujiacute vodiacutek a kysliacutek Reakce na anodě a anodě probiacutehajiacute naacutesledovně

H2 rarr 2H + + 2eminus

1 2O2 + 2eminus + 2H + rarr H2O

Proton H+ prochaacuteziacute elektrolytem od anody ke katodě vlivem vzaacutejemneacute přitažlivosti mezi vodiacutekem a kysliacutekem zatiacutemco elektrony jsou využity k oběhu od anody ke katodě přes vnějšiacute elektrickyacute obvod Sloučeniacutem reakciacute na anodě a katodě ziacuteskameacute celkovou reakci pro PEM člaacutenek

H2 +1 2O2 rarr H2O PEM člaacutenky dobře snaacutešiacute vysokyacute obsah oxidu uhličiteacuteho jak v palivu tak okysličovadlu proto mohou PEM člaacutenky pracovat se znečištěnyacutem vzduchem jako okysličovadlem a reformaacutetorem jako palivem Tyto člaacutenky pracujiacute s niacutezkyacutemi teplotami což zjednodušuje požadavky na použiteacute materiaacutely umožňuje rychlyacute start a zvyšuje bezpečnost Je použit pevnyacute suchyacute elektrolyt to eliminuje naacuteroky na manipulaci s tekutinami snižuje pohyb elektrolytu a probleacutemy spojeneacute s jeho doplňovaacuteniacutem Elektrolyt neniacute korozivniacute tiacutem samozřejmě klesajiacute probleacutemy s koroziacute materiaacutelů PEM člaacutenky majiacute vysokeacute člaacutenkoveacute napětiacute vysokou proudovou a energetickou hustotu Pracovniacute tlaky jsou relativně niacutezkeacute a člaacutenek je schopen reagovat na proměnnost tlaku bez většiacutech probleacutemů Tvarově jsou PEM člaacutenky jednoducheacute kompaktniacute a mechanicky odolneacute PEM člaacutenky jsou citliveacute na obsah oxidu uhelnateacuteho v palivu (maximum je 50 ppm) jsou schopneacute sneacutest pouze několik ppm sloučeniny siacutery PEM člaacutenky požadujiacute zvlhčovaacuteniacute reakčniacuteho plynu zvlhčovaacuteniacute je energeticky naacuteročneacute a způsobuje naacuterůst rozměru celeacuteho systeacutemu Použitiacute vody pro zvlhčovaacuteniacute paliva limituje provozniacute teplotu palivoveacuteho člaacutenku na hodnotu nižšiacute než je teplota bodu varu vody čiacutemž se redukuje potenciaacutel využitelnyacute v kogeneračniacutech aplikaciacutech PEM člaacutenky použiacutevajiacute draheacute platinoveacute katalyzaacutetory a draheacute membraacuteny se kteryacutemi se obtiacutežně pracuje

62

46 Systeacutem palivovyacutech člaacutenků

Blok palivoveacuteho člaacutenků je jednotka pro přeměnu energie v systeacutemu palivoveacuteho člaacutenku Zdroj se sklaacutedaacute z množstviacute subsysteacutemů pro řiacutezeniacute a regulaci provozu palivoveacuteho člaacutenku Pomocneacute systeacutemy jsou požadovaacuteny pro systeacutem chlazeniacute člaacutenku dopravu a zvlhčovaacuteniacute reaktantů přenos elektrickeacuteho vyacutekonu člaacutenku monitorovaacuteniacute a řiacutezeniacute provozu popřiacutepadě uskladněniacute paliva a okysličovadla Systeacutemy palivovyacutech člaacutenků majiacute vyššiacute tepelneacute uacutečinnosti zvlaacuteště ty s malyacutemi rozměry či středniacutem zatiacuteženiacutem Praacutevě uacutečinnostniacute charakteristika poskytuje hlavniacute impuls pro současnyacute vyacutevoj palivovyacutech člaacutenků Zdroje s palivovyacutemi člaacutenky jsou schopneacute provozu s reformovanyacutemi fosilniacutemi palivy jakyacutem je metanol či zemniacute plyn Zdokonalenaacute tepelnaacute uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku snižuje objem potřebneacuteho paliva a tiacutem zajišťuje i sniacuteženiacute znečišťovaacuteniacute životniacuteho prostřediacute Konfigurace provozniacute charakteristiky a celkovaacute systeacutemovaacute uacutečinnost zdrojů s palivovyacutemi člaacutenky se určuje předevšiacutem vyacuteběrem vhodneacuteho paliva a okysličovadla Nejefektivnějšiacute konfigurace zdrojů je založena na čistyacutech reaktantech - vodiacuteku a kysliacuteku Avšak pro většinu aplikaciacute je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku a kysliacuteku nepraktickeacute a proto se hledajiacute různeacute alternativy Napřiacuteklad vzduch se obvykle u systeacutemů s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM využiacutevaacute jako okysličovadlo pokud je to možneacute Uacutečinnost palivoveacuteho člaacutenku je sniacutežena v porovnaacuteniacute s provozem s čistyacutem kysliacutekem a znevyacutehodněniacute je ještě umocněno potřebou stlačovaacuteniacute vzduchu Tato znevyacutehodněniacute jsou takeacute většiacute než kompenzace provedenaacute přemiacutestěniacutem uskladněniacute okysličovadla ven ze zdroje Pro určiteacute aplikace je uskladněniacute čisteacuteho vodiacuteku nepraktickeacute v důsledku jeho niacutezkeacute uskladňovaciacute hustoty a nedostatečneacute infrastruktury Tekutaacute paliva jako je metanol nafta a petrolej mohou byacutet reformovaacuteny na plyny bohateacute na vodiacutek ktereacute jsou využity pro provoz palivoveacuteho člaacutenku Zemniacute plyn pokud je dostupnyacute může byacutet takeacute využit v systeacutemu palivovyacutech člaacutenků Reforming však snižuje celkovou uacutečinnost systeacutemu a zapřiacutečiňuje i naacuterůst rozměrů zdroje

461 Systeacutem vodiacutek vzduch

Suchozemskeacute systeacutemy s palivovyacutemi člaacutenky použiacutevajiacute obvykle jako okysličovadlo stlačenyacute vzduch Jako palivo může byacutet použita jakyacutekoliv z vyacuteše zmiňovanyacutech laacutetek avšak čistyacute vodiacutek je nejjednoduššiacute a nejuacutečinnějšiacute pro tyto podmiacutenky Vodiacutek jako palivo maacute relativně niacutezkou objemovou a hmotnostniacute hustotou uskladněniacute energie ve srovnaacuteniacute s tekutyacutemi palivy jež jsou v současnosti využiacutevaacuteny Kromě toho neniacute zde vybudovaacutena dostatečnaacute infrastruktura pro vstup vodiacuteku na světovyacute trh s energiemi A upřiacutemně v současneacute době relativniacuteho dostatku tekutyacutech paliv potřeba tuto infrastrukturu neniacute přiacuteliš velikaacute Zjednodušeneacute scheacutema zdroje na baacutezi palivovyacutech člaacutenků typu PEM použiacutevajiacuteciacute vodiacutek a vzduch je na obraacutezku 25 Vodiacutek je dopravovaacuten ze zaacutesobniacuteků Vodiacutek je zvlhčen a dodaacutevaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Plynovyacute kompresor tlakuje vodiacutek kteryacute z člaacutenku odchaacuteziacute (poměrnyacute obsah vodiacuteku je přibližně 15) jako přebytek paliva a vraciacute ho zpět do vstupniacute čaacutesti okruhu dodaacutevky paliva Čistota vodiacuteku je jedniacutem z nejdůležitějšiacutech požadavků z toho důvodu musiacute byacutet systeacutem velmi dobře uzavřen V systeacutemu anody je instalovaacuten odvzdušňovaciacute ventil kteryacute sloužiacute k periodickeacutemu odvodu nečistot ktereacute se nachaacutezejiacute ve vodiacutekoveacutem zaacutesobniacuteku Okolniacute vzduch je filtrovaacuten stlačen zvlhčen a dodaacuten do palivoveacuteho člaacutenku Kondenzaacutetor odvaacutediacute produktovou vodu z vyacutestupu vzduchu rekuperačniacute tepelnyacute

63

vyacuteměniacutek ohřiacutevaacute proud vstupniacuteho vzduchu Popsanyacute systeacutem pracuje obvykle s tlakem okolo 2 barů Uzavřenaacute smyčka chladiacuteciacuteho okruhu je zaměstnaacutevaacutena udržovaacuteniacutem provozniacute teploty člaacutenků okolo 80 degC Kondenzaacutetor produktoveacute vody a zvlhčovač reaktantů se začleňuje do chladiacuteciacuteho systeacutemu V systeacutemu chladiacuteciacute vody je daacutele instalovaacuten deionizačniacute filtr z důvodu udrženiacute hladiny čistoty vody Člaacutenek je dokonale izolovaacuten aby se předešlo průsakům vody ven z člaacutenku a kontaminaci membraacuteny prostřednictviacutem nechtěnyacutech iontů Na elektrickeacutem vyacutestupu palivoveacuteho člaacutenku je neregulovaneacute stejnosměrneacute napětiacute Testovaacuteniacute zaacutetěže by se mělo provaacutedět pravidelně aby byly zajištěny dobreacute elektrickeacute podmiacutenky pro předpoklaacutedanou zaacutetěž

Obr 25 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a vzduchem [8]

462Systeacutem vodiacutek kysliacutek

V aplikaciacutech kde neniacute dostupnyacute vzduch jako je vesmiacuter nebo podmořskeacute prostřediacute může byacutet použit čistyacute vodiacutek kysliacutek jako okysličovadlo Kysliacutek je uskladněn jako stlačenyacute plyn či kryogenniacute tekutina Kysliacutek zabiacuteraacute určityacute objem a hmotnost celkoveacuteho energetickeacuteho systeacutemu Palivoveacute člaacutenky potom vykazujiacute většiacute vyacutekon většiacute napětiacute člaacutenku a celkovou uacutečinnost Odstraněniacute zařiacutezeniacute ke stlačovaacuteniacute vzduchu dochaacuteziacute v systeacutemu k poklesu hlučnosti a parazitickyacutech ztraacutet Obraacutezek 26 znaacutezorňuje typickyacute zdroj s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s čistyacutem vodiacutekem a kysliacutekem Je to v podstatě stejnyacute systeacutem jako v přiacutepadě systeacutemu se vzduchem Toky obou reaktantů jsou cirkulovaacuteny skrz palivovyacute člaacutenek pomociacute kompresorů se opětovně natlakujiacute na provozniacute tlak V přiacutepadě dostupnosti vhodnyacutech dopravniacutech tlaků z uskladňovaciacutech zaacutesobniacuteků reaktantů mohou byacutet kompresory nahrazeny čerpadly čiacutemž dojde k eliminaci parazitniacutech ztraacutet spojenyacutech s cirkulaciacute plynu Systeacutemy těchto palivovyacutech člaacutenků jsou obvykle konstruovaacuteny pro provoz

64

v uzavřeneacutem prostřediacute a mohou byacutet provozovaacuteny jako samostatneacute uzavřeneacute systeacutemy V ideaacutelniacutem přiacutepadě je jedinyacutem hmotnyacutem produktem voda Nečistoty ve vstupniacutem vodiacuteku a kysliacuteku postupně zvyšujiacute svou koncentraci v systeacutemu proto je nezbytneacute pravidelneacute čištěniacute Inertniacute čaacutesti paliva jsou vstřebaacutevaacuteny a odvaacuteděny prostřednictviacutem produktoveacute vody palivoveacuteho člaacutenku Potřeba přiacutedavneacuteho čištěniacute je určena požadavkem čistoty u zařiacutezeniacute na uskladněniacute reaktantů životnostiacute zdroje a provozniacutemi podmiacutenkami systeacutemu

Obr 26 Zjednodušeneacute scheacutema zdroje s palivovyacutemi člaacutenky typu PEM pracujiacuteciacute s vodiacutekem a kysliacutekem [8]

65

5 Instalace ve světě

V současnosti se spojeniacute větrneacute energie a vyacuteroby vodiacuteku použiacutevaacute velmi maacutelo Tento systeacutem maacute ovšem podle mnoha zdrojů obrovskyacute růstovyacute potenciaacutel Nabiacuteziacute jednu z alternativ pro teacuteměř 16 miliardy lidiacute na světě kteřiacute nemajiacute přiacutestup k elektrickeacute energii Trhy pro ktereacute je tato technologie zajiacutemaveacute již dnes jsou izolovaneacute oblasti vyspělyacutech staacutetů Tyto trhy použiacutevajiacute jako hlavniacute zdroj elektrickeacute energie diesel agregaacutety jsou tudiacutež vysoce zaacutevisleacute na dodaacutevkaacutech ropy Vodniacute elektrolyacuteza je použitelnaacute ve spojeniacute s fotovoltaickou a větrnou energiiacute Existuje dobraacute shoda mezi polarizačniacutemi křivkami obnovitelnyacutech zdrojů a elektrolyzeacuterů a mohou byacutet spojeny bez elektronickeacuteho sledovaacuteniacute vyacutekonovyacutech charakteristik při relativně vysokeacute uacutečinnosti Projekty využiacutevajiacuteciacute spojeniacute větrneacute energie již existujiacute Jeden z pilotniacutech projektů je umiacutestěn na ostrově Unst v severniacute čaacutesti Velkeacute Britaacutenie Ciacutelem tohoto projektu je demonstrovat jak větrnaacute energie spojenaacute s využiacutevaacuteniacutem vodiacuteku je schopna pokryacutet energetickeacute potřeby pěti obchodniacutech jednotek v odlehleacute oblasti Větrnaacute energie na Shetlandech nabiacuteziacute velmi dobreacute možnosti pro jejiacute využitiacute nevyacutehodou větrnyacutech podmiacutenek na tomto ostrově je jejich nepředviacutedatelnaacute povaha Pro zajištěniacute stabilniacuteho a spolehliveacuteho dodaacutevaacuteniacute energie je potřeba zajistit dobreacute řiacutezeniacute toku teacuteto energie a skladovaacuteniacute Elektrickaacute siacuteť je na ostrově ve velmi špatneacutem stavu a neumožňuje připojeniacute dalšiacuteho pevneacute připojeniacute z obnovitelnyacutech zdrojů Každyacute novyacute systeacutem musiacute byacutet připojen nezaacutevisle na siacuteti nebo miacutet zajištěn dostatečnou kapacitu pro uskladněniacute energie z těchto zdrojů Na ostrově jsou umiacutestěny 2 větrneacute turbiacuteny o vyacutekonu 15 kW V čase niacutezkeacuteho odběru obchodniacutech jednotek nebo naopak při vysokeacute produkci je přebytek energie použit v elektrolyzeacuteru kteryacute potřebuje přibližně 2-7 kW denniacute produkce vodiacuteku dosahuje přibližně 2 kg vodiacuteku Vodiacutek je uložen ve vysokotlakyacutech naacutedobaacutech a daacutele použiacutevaacuten jako alternativa fosilniacutech paliv Systeacutem je vybaven zaacuteložniacutem zdrojem obsahuje 5 kW palivoveacute člaacutenky a měnič kteryacute převaacutediacute stejnosměrnyacute proud z elektrolyzeacuteru na proud střiacutedavyacute

Obr 27 Scheacutema systeacutemu instalovaneacuteho v Unstu

66

Prvniacutem miacutestem kde došlo v roce 2004 k instalaci vyacuteznamnějšiacuteho autonomniacuteho systeacutemu využiacutevajiacuteciacuteho větrneacute elektraacuterny pro produkci vodiacuteku a jeho naacutesledneacutemu použitiacute pro vyacuterobu elektrickeacute energie je norskyacute ostrov Utsira V pilotniacutem projektu bylo vybraacuteno 10 domaacutecnostiacute do kteryacutech se dodaacutevaacute elektrickaacute energie vyacutehradně z větrneacute energie Ve větrneacutem počasiacute větrneacute elektraacuterny dodaacutevajiacute elektřinu přiacutemo Když produkce elektřiny přesaacutehne aktuaacutelniacute požadavky domaacutecnostiacute je přebytečnaacute elektřina použita pro produkci vodiacuteku v elektrolyzeacuterech Vodiacutek je daacutele stlačen a uložen do tlakovyacutech naacutedob V přiacutepadě že je viacutetr přiacuteliš slabyacute nebo naopak silnyacute a větrneacute elektraacuterna neniacute schopna dodaacutevat elektrickou energii palivoveacute člaacutenky začnou spotřebovaacutevat uskladněnyacute vodiacutek a dodaacutevat elektrickou energii do domaacutecnostiacute Tento systeacutem je schopen dodaacutevat elektrickou energii domaacutecnostem až po dobu 3 dnů v přiacutepadě nedostupnosti větrneacute energie Utsira je velmi větrnyacutem ostrovem kteryacute se jevil jako ideaacutelniacute miacutesto pro pilotniacute projekt tohoto typu Na ostrově byly instalovaacuteny dvě turbiacuteny Enercon E40 každaacute s kapacitou 600 kW Jedna z turbiacuten produkuje elektřinu přiacutemo do siacutetě zatiacutemco druhaacute je připojena do samostatneacuteho systeacutemu a vyacutekon je sniacutežen na 150 kW aby leacutepe odpoviacutedala poptaacutevce Pro stabilizaci nestabilniacute obnovitelneacute energie se použiacutevaacute setrvačniacutek s kapacitou 5 kWh a 100 kVA hlavniacute synchronniacute motor ktereacute vyrovnaacutevajiacute a ovlaacutedajiacute napětiacute a frekvenci Přebytečnaacute energie je uklaacutedaacutena pomociacute elektrolyzeacuteru firmy Hydrogen Technologies s maximaacutelniacutem zatiacuteženiacutem 48 kW 5 kW kompresoru Hofer a tlakovyacutech naacutedob o objemu 2400 Nm3 při tlaku 200 bar Při nedostatku energie z větru se tato potřebnaacute energie dodaacutevaacute pomociacute 5 IRD palivovyacutech člaacutenků o celkoveacutem vyacutekonu 55 kW

Obr 28 Scheacutema projektu v Utsiře

Projekt byl v provozu nepřetržitě po dobu 4 let viacutece než 50 času byly pro dodaacutevaacuteniacute energie použiacutevaacuteny palivoveacute člaacutenky Kvalita dodaacutevky elektrickeacute energie byla dobraacute nebyly hlaacutešeny žaacutedneacute stiacutežnosti I přes uacutespěšnou demonstraci kvality projektu byly odhaleny vyacutezvy ktereacute je potřeba překonat pro zajištěniacute uacutespěchu teacuteto technologie 20 Utilizace větrneacute energie odhalila potřebu pro vyacutevoj uacutečinnějšiacutech elektrolyzeacuterů stejně tak jako zlepšeniacute uacutečinnosti konverze vodiacuteku na elektřinu Palivoveacute člaacutenky v průběhu provozu trpěly určityacutemi probleacutemy jako byl uacutenik chladiciacute kapaliny ze člaacutenku Palivoveacute člaacutenky trpěly takeacute rapidniacute degradaciacute vydržely sotva 100 hodin provozu Tyto probleacutemy spojeneacute s niacutezkou uacutečinnostiacute konverze vodiacuteku zvyacutešili

67

pravděpodobnost že vodiacutek během klidneacuteho větru může dojiacutet Cena a spolehlivost palivovyacutech člaacutenků se musiacute vylepšit aby byl projekt tohoto typu komerčně uacutespěšnyacute Bylo takeacute doporučeno aby budouciacute projekty zahrnovaly viacutece obnovitelnyacutech zdrojů energie Uacutespěch projektu na ostrově Utsira demonstruje uskutečnitelnost kombinace obnovitelneacuteho zdroje energie a vodiacuteku v odlehlyacutech lokalitaacutech a noveacute možnosti použitiacute elektrolyzeacuterů v budouciacutech energetickyacutech systeacutemech Ekonomicky bude tento projekt daacutevat smysl pouze při dalšiacutem vyacutevoji součaacutestiacute systeacutemu je předpoklad že by tato podmiacutenka mohla byacutet splněna za 5 až 10 let

Obr 29 Projekt kombinujiacuteciacute větrnou energii a vodiacutek na ostrově Utsira [20]

68

6Přiacutepadovaacute studie

61Vyacuteběr lokace

Souhrnnaacute dlouhodobaacute data o větru v jedneacute lokaci je velmi složiteacute ziacuteskat Lokace pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny se vybiacuteraacute podle podrobneacute lokaacutelniacute větrneacute mapy jejiacutemž autorem je v Českeacute republice ČHMUacute Naacutesleduje faacuteze měřeniacute rychlosti větru přiacutemo v miacutestě potenciaacutelniacuteho umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Pravidelneacute měřeniacute směru a siacutely větru provaacutediacute ČHMUacute na svyacutech meteorologickyacutech staniciacutech Profesionaacutelniacutech stanic existuje 38 6 stanic spravuje armaacuteda a dalšiacutech 179 je stanic je dobrovolnickyacutech Vzhledem k uacuteplnosti dat jsem se v praacuteci rozhodl použiacutet data z meteorologickeacute stanice na letišti v Mošnově Stanice je primaacuterně určena pro informovaacuteniacute leteckeacuteho personaacutelu o počasiacute v bliacutezkosti letiště Diacuteky vstřiacutecnosti miacutestniacutech meteorologů jsem ziacuteskal data o rychlosti větru v roce 2006 Stanice je umiacutestěna přiacutemo na letištniacute ploše ve vyacutešce 3 m Samotneacute letiště Mošnov ležiacute v severovyacutechodniacute čaacutesti Českeacute republiky 20 km od města Ostravy Data

jsou umiacutestěna v souboru programu Excel jako přiacuteloha 1 Měřeniacute je provaacuteděno nepřetržitě a je vypočiacutetaacutevaacuten 15 sekundovyacute průměr kteryacute sloužiacute jako informace pro piloty Statisticky se zaznamenaacutevajiacute 3 měřeniacute denně Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny jsou potřebneacute dvě důležiteacute informace a to průměrnaacute rychlost větru vstr a standardniacute odchylka σw Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov vstr= 3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1

62 Větrnaacute turbiacutena

Pro tuto praacuteci bylo vybraacuteno jako vhodneacute řešeniacute použitiacute dvou stejnyacutech relativně menšiacutech větrnyacutech turbiacuten firmy Enercon Jmenovityacute vyacutekon turbiacuteny je 330 kW Pro uchyceniacute trojlisteacuteho rotoru o průměru 33 m je použit 50 m ocelovyacute stožaacuter Elektraacuterna je bezpřevodovkovaacute s proměnlivyacutemi otaacutečkami rotoru ktereacute se mohou pohybovat v rozmeziacute 15-45 otmin Hlavniacute ložiska jsou jednořadaacute kuželiacutekovaacute Enercon dodaacutevaacute vlastniacute generaacutetor Jednaacute se o prstencovyacute generaacutetor kteryacute je přiacutemo pohaněnyacutesynchronniacute s variabilniacute frekvenciacute Elektraacuterna je daacutele vybavena brzdou rotoru aretaciacute rotoru a třemi soběstačnyacutemi systeacutemy nastavovaacuteniacute listů s nouzovyacutem zdrojem Startovaciacute rychlost je 25 ms-1 jmenovitaacute rychlost 12 ms-1 a odpojovaciacute rychlost je 12 ms-1 Tabulka 7 uvaacutediacute hodnoty jmenoviteacuteho vyacutekonu elektraacuterny při danyacutech rychlostech větru

Rychlost větru [ms]

Vyacutekon [kW]

Kapacitniacute faktor [-]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 5 137 30 55 92 138 196 250 293 320 335 335 335 335

0 035 040 045 047 050 05 05 047 041 035 028 023 018 015

Tab 7 Vyacutekonoveacute charakteristiky turbiacuteny E33 [21]

69

Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny se potom určiacute pomociacute vyacutepočtu v programu Mathcad tento vyacutepočet je součaacutestiacute přiacutelohy 2 Pro určeniacute vyacutekonoveacute křivky použijeme tabulku 7 zobrazujiacuteciacute rychlost větru a jemu odpoviacutedajiacuteciacute vyacutekon Data proložiacuteme křivkou spline kteraacute je aproximaciacute tabulkovyacutech hodnot Použijeme funkci cspline kteraacute je v programu Mathcad definovaacutena Vyacuteslednaacute křivka je potom zobrazena na obraacutezku 30 Křivka je určena pro teplotu t=15degC a nadmořskou vyacutešku h=0 m

Obr 30 Vyacutekonovaacute křivka turbiacuteny E33

63 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny letiště Mošnov

Celyacute vyacutepočet je umiacutestěn v přiacuteloze 2 Pro vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr= 3596 ms-1 standardniacute odchylky σw=254 ms-1 a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 1459

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 3969

Spektrum rozloženiacute hustoty rychlostiacute větru v daneacute lokalitě se popisuje pomociacute Weibullovy pravděpodobnostniacute funkce grafickeacute zobrazeniacute je na obraacutezku 31

70

f x( ) = kcsdot xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟kminus1

sdotexp minus xc

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

Obr 31 Weibullova funkce pro letiště Mošnov

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě mošnovskeacuteho letiště je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 3 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 015 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 682m sdot sminus1

Rozdiacutel v průměrnyacutech rychlostech je převaacutežně způsoben působeniacutem mezniacute vrstvy u povrchu Země Hustota vzduchu v miacutestě instalace značně ovlivňuje vyacuteslednyacute vyacutekon větrneacute elektraacuterny proto je potřeba ji v celkoveacutem vyacutepočtu zohlednit Hustota vzduchu ρ [kgm3] je zaacutevislaacute předevšiacutem na teplotě t [degC] a nadmořskeacute vyacutešce Z [m] dle vztahu

ρ = 33505t + 2731

sdotexp minus981sdotZ287 sdot(t + 2731)

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

71

Dalšiacute veličinou kterou je před samotnyacutem vyacutepočtem určit je kapacitniacute faktor CFA [-] Kapacitniacute faktor je jinyacutem naacutezvem součinitel využitiacute a určuje zastoupeniacute času při ktereacutem jsou schopny větrneacute elektraacuterny byacuteti v provozu Tento součinitel zaacuteviacutesiacute na typu větrneacute elektraacuterny daacutele pak na maximaacutelniacute rychlosti větru Uf [ms] minimaacutelniacute rychlosti větru Uc [ms] naacutevrhoveacute rychlosti větru Ur [ms] a Weibullovyacutech faktorech c a k dle naacutesledujiacuteciacuteho vztahu

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 029

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Mošnově použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 257 m průměrnaacute teplota t= 65 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=682 ms Pnom se potom rovnaacute 8447 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obraacutezku 32

Obr 32 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro mošnovskou lokalitu Pav= 24 445 W Ročniacute průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 24445 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na letišti v Mošnově je potom Pwf=44691 kW Tato hodnota je na vyacutekon 330kW elektraacuterny velmi niacutezkaacute instalace tedy postraacutedaacute ekonomickyacute smysl a je potřeba určit jineacute umiacutestěniacute instalace Dalšiacutem faktorem znemožňujiacuteciacutem instalaci větrnyacutech elektraacuteren je složitost stavebniacuteho řiacutezeniacute Vzhledem k ochraně letištniacuteho provozu by stavba musela splňovat velmi složitaacute kriteacuteria a byacutet umiacutestěna v dostatečneacute vzdaacutelenosti od letištniacute draacutehy kde už nemusejiacute rychlosti větru odpoviacutedat rychlostem měřenyacutem meteorologickou staniciacute přiacutemo

72

na letišti

64 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny Noveacute Dvorce

Obec Noveacute Dvorce na hranici Olomouckeacuteho a Moravskoslezskeacuteho kraje byla vybraacutena jako alternativniacute lokalita splňujiacuteciacute zaacutekladniacute požadavek o průměrneacute ročniacute rychlosti větru V lokalitě Červeneacuteho kopce kteryacute je v bliacutezkosti obce Noveacute Dvorce je umiacutestěno již v současneacute době 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele větrneacuteho parku a to firmy Větrnaacute energie HL sro je v lokalitě Červeneacuteho kopce průměrnaacute rychlost větru vstr= 74 ms-1 standardniacute odchylka σw=35 ms-1 Vyacutepočet vyacutekonu větrneacute elektraacuterny v teacuteto lokalitě probiacutehaacute analogicky jako v předešleacute kapitole Prvniacute je potřeba určit tvarovyacute Weibull parametr k [-] a rozměrovyacute Weibull parametr c [ms-1] vyacutepočet těchto parametrů se podle zdroje [13] daacute určit pouze pomociacute průměrneacute rychlosti větru vstr standardniacute odchylky σw a funkce Γ kteraacute je součaacutestiacute matematickeacuteho programu Mathcad

k = σ w

vstr

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

minus1086

= 2225

c = vstr

Γ 1+ 1k

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= 8355

Graf Weibullovy funkce je pro lokalitu Noveacute Dvorce je zobrazen na obraacutezku 32

Obr 32 Weibullova funkce pro lokalitu Noveacute Dvorce

73

Dalšiacutem krokem pro vyacutepočet vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren v lokalitě Novyacutech Dvorců je přepočet průměrneacute rychlost vstr na naacutevrhovou rychlost Ur kteraacute určuje rychlost ve vyacutešce umiacutestěniacute rotoru elektraacuterny v našem přiacutepadě dochaacuteziacute k měřeniacute ve vyacutešce hrf= 10 m a rotor větrnyacutech elektraacuteren bude umiacutestěn ve vyacutešce h= 44 m Rgh drsnost povrchu nebo takeacute deacutelka turbulence se určuje expertně na zaacutekladě okoliacute elektraacuterny a překaacutežek ktereacute se v tomto prostoru nachaacutezejiacute v našem přiacutepadě byla tato hodnota odhadnuta na Rgh= 025 Vztah pro přepočet rychlosti pak vypadaacute naacutesledovně

Ur = vstr sdot lnhRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟sdot ln

hrfRgh

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

minus1

= 10372m sdot sminus1

Kapacitniacute faktor je potom určen podle analogickeacuteho vztahu jako v předešleacute kapitole pro Noveacute Dvorce je kapacitniacute faktor teacuteměř dvojnaacutesobnyacute což znamenaacute zvyacutešeniacute celkoveacuteho vyacutekonu dodaacuteveneacuteho elektraacuternami

CFA =expsdot minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ minus expsdot minus Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Ur

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k

minus Uc

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟k minus expsdot minus

U f

c⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

k⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥= 0474

Vyacutekonovaacute křivka sloužiacute k určeniacute funkce jmenoviteacuteho vyacutekonu Prate kteryacute je zaacutevislyacute na rychlosti větru teplotě a nadmořskeacute vyacutešce Pro vyacutepočet nominaacutelniacuteho vyacutekonu Pnom pro umiacutestěniacute v Novyacutech Dvorciacutech použijeme funkci Prate Hodnoty dosazeneacute do teacuteto funkce jsou naacutesledujiacuteciacute nadmořskaacute vyacuteška Z= 580 m průměrnaacute teplota t= 73 degC a naacutevrhovaacute rychlost Ur=10372 ms Pnom se potom rovnaacute 2467 kW Pnom sloužiacute jako naacutestřel při vyacutepočtu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav Pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě je potřeba vytvořit v programu Mathcad početniacute proceduru kteraacute je na obr

Obr 34 Procedura pro vyacutepočet vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě

Zjednodušeně řečeno hledaacuteme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav pomociacute porovnaacutevaacuteniacute diference mezi Pnom a Pnomxi pokud bude absolutniacute hodnota rozdiacutelu těchto veličin menšiacute než 80 W tak dostaneme konečnou hodnotu vyacutekonu v naacutevrhoveacutem bodě Pav kteraacute je pro lokalitu Noveacute Dvorce Pav= 116 845 W Ročniacute

74

průměrnyacute vyacutekon jedneacute elektraacuterny je tedy Pwt= Pav= 116845 kW celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren umiacutestěnyacutech na Červeneacutem kopci je potom Pwf=23369 kW Vypočiacutetanyacute vyacutekon je průměrně dostupnyacute 1500 hodrok jak uvaacutediacute zdroj [2] Celkovaacute elektrickaacute energie vyprodukovanaacute za 1 rok se určiacute dle vztahu

W = PWT sdot1500 = 3505 times105 kWh rok

Takto vysokaacute hodnota je daacutena předevšiacutem vhodnostiacute vybraneacute lokality kapacitniacute faktor CFA se tudiacutež bliacutežiacute nejvyššiacutem hodnotaacutem kteryacutech je elektraacuterna E33 schopna dosaacutehnout a to CFAmax= 05

65 Elektrolyzeacuter

Kombinace elektrolyzeacuteru a větrneacute turbiacuteny znamenaacute nestaacutelyacute provoz s velmi proměnnyacutem energetickyacutem vyacutestupem Komerčniacute elektrolyzeacutery jsou navrženy pro uacutezkeacute pracovniacute rozpětiacute napětiacute pokud se vstupniacute napětiacute lišiacute oproti navrženeacutemu rozpětiacute systeacutem zastaviacute svůj provoz Tento postup se použiacutevaacute jako ochrana pro pomocneacute zařiacutezeniacute proti přepětiacute nebo podpětiacute Elektrolyzeacutery mohou byacutet konstruovaacuteny pro použitiacute se stejnosměrnyacutem proudem kde je pracovniacute rozpětiacute širšiacute než u srovnatelneacuteho elektrolyzeacuteru použiacutevajiacuteciacuteho proud střiacutedavyacute V tomto přiacutepadě je daacutena minimaacutelniacute uacuteroveň napětiacute k zahaacutejeniacute procesu elektrolyacutezy v poměru kompatibilniacutem s rovnovaacutehou elektraacuterny s minimaacutelniacute potřebou na elektrolytickou reakci a při ktereacute je turbiacutena schopna spraacutevneacute funkčnosti od spuštěniacute po normaacutelniacute provoz Ekonomie systeacutemu využiacutevajiacuteciacute větrnou energii pro vyacuterobu vodiacuteku zaacuteležiacute na konfiguraci systeacutemu a způsobu jeho využiacutevaacuteniacute a naviacutec na dostupneacutem zdroji větrneacute energie Elektrolyzeacuter může byacutet dimenzovaacuten k přijiacutemaacuteniacute veškereacute energie generovaneacute větrnou elektraacuternou tiacutem paacutedem by pracoval se stejnyacutem kapacitniacutem faktorem (využitiacute instalovaneacute kapacity) jako větrnaacute elektraacuterna což by by bylo meacuteně ekonomicky vyacutehodneacute Hospodaacuternějšiacute řešeniacute je dimenzovat elektrolyzeacuter na vyacutekon nižšiacute než je maximaacutelniacute energetickyacute vyacutestup z větrneacute elektraacuterny V tomto přiacutepadě by nebyla využita veškeraacute větrnaacute energie ale elektrolyzeacuter by pracoval s většiacutem kapacitniacutem faktorem Optimaacutelniacute kapacita elektrolyzeacuteru se určuje podle typu větrneacute turbiacuteny a profilu zatiacuteženiacute Po uvaacuteženiacute předešlyacutech informaciacute byl pro aplikaci vybraacuten vysokotlakyacute elektrolyzeacuter NELP40 firmy Norsk Hydro Elektrolyzeacuter NELP40 maacute vyacutejimečnyacute dynamickyacute rozsah a to mezi 10 až 100 instalovaneacuteho vyacutekonu při zachovaacuteniacute vysokeacute čistoty vodiacuteku Rychlost vyacuteroby vodiacuteku okamžitě reaguje na rychleacute změny přiacutekonu což je ideaacutelniacute vlastnost pro spojeniacute s větrnou energiiacute Elektrolyzeacuter je pod delšiacute dobu schopen byacutet v režimu stand-by což umožňuje okamžiteacute obnoveniacute vyacuteroby vodiacuteku v přiacutepadě dobryacutech větrnyacutech podmiacutenek Tabulka 8 ukazuje provozniacute charakteristiky tohoto elektrolyzeacuteru

Jmenovitaacute Kapacita

Dynamickyacute rozsah kapacity

Vyacutestupniacute tlak

Čistota vodiacuteku

40 Nm3hod (36 kghod)

10 - 100 jmenoviteacute kapacity

16 bar g (232 psi g)

999

75

Naacuteběhovyacute čas ze stand-by do max kapacity

Reakce na dynamickou změnu zatiacuteženiacute

Okolniacute teplota

Kontrolniacute systeacutem

Elektrolyt

Potřebneacute napět

Frekvence zdroje

Spotřeba energie na Nm3 H2

Spotřeba vody na Nm3 H2

Vyacutekon potřebnyacute k maximaacutelniacute produkci

Vodivost vody

Průtok chladiacuteciacute vody

Teplota chladiacuteciacute vody

lt 3 sekundy

lt 1 sekunda

-20degC - +40degC

automatickyacute daacutelkovyacute monitoring a ovlaacutedaacuteniacute

32 vodnyacute roztok KOH

400 V

50 Hz

48 KWh

09 litru

192 kW

lt 5 microScm

15 m3hod při max kapacitě

lt 25degC

Tab 8 Provozniacute charakteristiky NELP40 [5]

Pro vyacutepočet celkoveacuteho množstviacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku danyacutem elektrolyzeacuterem vyjdeme z provozniacutech charakteristik elektrolyzeacuteru a celkoveacute elektrickeacute energie vyprodukovaneacute za 1 rok našimi větrnyacutemi elektraacuternami Vyacutepočet proveden v přiacuteloze 3 Objem vyprodukovaneacuteho vodiacuteku VH potřebneacute množstviacute vody VV a hmotnost vyprodukovaneacuteho vodiacuteku mH je potom

VH = 73030Nm3H2 rokmH = 6573kg rokVV = 65730l rok

Pokud chceme vyčiacuteslit cenu produkce 1 kg vodiacuteku musiacuteme v prvniacutem kroku zařadit větrneacute podmiacutenky v našiacute lokalitě zařadit do kategorie klasifikace větrneacute energie podle obraacutezku 33

76

Obr 33 Klasifikace větrneacute energie [22]

Středniacute rychlost větru pro lokalitu Novyacutech Dvorců je vstr=74 ms-1 nicmeacuteně hustota větrneacute energie je odhadem nižšiacute proto naše lokalita spadaacute do kategorie 6 Podle obraacutezku 34 pak můžeme určit cenovyacute interval vyacuteroby 1 kg vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech Dle obraacutezku je nejnižšiacute možnaacute cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku lehce pod 3 dolary neboli 59 Kč

Obr 34 Cena elektrolytickeacute vyacuteroby 1 kg vodiacuteku dle třiacuted větrneacute energie [22]

66 Využitiacute vyprodukovaneacuteho vodiacuteku jako paliva pro auta

Vodiacutek neniacute zdrojem ale přenašečem energie Užitiacute vodiacuteku neniacute omezeno pouze na palivoveacute člaacutenky vodiacutek je vyacutehodneacute palivo i pro klasickeacute spalovaciacute (benziacutenoveacute i naftoveacute) motory Užitiacutem vodiacuteku ve spalovaciacutech motorech vznikajiacute NOx i když jako jedineacute polutanty Diacuteky mnohem menšiacutem naacutekladům na uacutepravu spalovaciacutech motorů pro provoz na vodiacutekoveacute palivo v porovnaacuteniacute s palivovyacutemi člaacutenky se jeviacute varianta spalovaacuteniacute vodiacuteku v nich jako přechodně preferovanějšiacute řešeniacute do doby vyacuterazneacuteho sniacuteženiacute naacutekladů na palivoveacute člaacutenky nebo do doby zvyacutešeniacute jejich uacutečinnosti

77

Pro budouciacute hlavniacute vyacuterobu vodiacuteku prostřednictviacutem elektrolyacutezy vody je nutnyacute dalšiacute vyacuteznamnyacute energetickyacute nosič - elektřina Obdobně jako u elektřiny vyacutehody užitiacute vodiacuteku zaacutevisiacute na tom jak je vodiacutek vyraacuteběn Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny např vyraacuteběneacute z uhliacute zvyacutešiacute se sice bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute ale vyacuterazně se zvyacutešiacute emise CO2 Je-li vodiacutek vyraacuteběn pomociacute elektřiny z obnovitelnyacutech zdrojů zvyacutešiacute se bezpečnost zaacutesobovaacuteniacute a sniacutežiacute emise CO2 ale přidaacutevajiacute se dalšiacute vlivy tohoto způsobu vyacuteroby elektřiny (omezenost obnovitelnyacutech zdrojů) Umiacutestěniacute dostatečneacuteho množstviacute paliva ve vozidle je dalšiacute probleacutem kteryacute dnes neniacute uspokojivě vyřešen Hlavniacute vyacutehodou vodiacuteku jako energetickeacuteho nosiče je že nabiacuteziacute cestu k decentralizovaneacutemu energetickeacutemu trhu na baacutezi nefosilniacutech paliv Vodiacutek je možneacute použiacutevat ve vozidle jako palivo bud přiacutemo ve spalovaciacutem motoru nebo jako zdroj elektrickeacute energie v palivoveacutem člaacutenku v elektromobilu Při vyacuterobě vodiacuteku elektrolyacutezou vody použitiacutem elektrickeacute energie vyrobeneacute z obnovitelnyacutech zdrojů je vodiacutek nejčistšiacutem současnyacutem palivem Z hlediska snižovaacuteniacute emisiacute skleniacutekovyacutech plynů je podstatneacute že automobily jezdiacuteciacute na vodiacutek oproti elektromobilům využiacutevajiacuteciacutech elektřinu z fosilniacutech paliv nevytvaacuteřiacute žaacutedneacute emise oxidu uhličiteacuteho Použitiacute vzduchu jako palivoveacute složky při využitiacute niacutezkoteplotniacutech palivovyacutech člaacutenků nepřinaacutešiacute emise NOx Probleacutemy s bezpečnostiacute a cena vozidel s přiacutemyacutem spalovaacuteniacutem vodiacuteku jsou však hlavniacute důvody proč se současnyacute vyacutevoj využitiacute vodiacuteku v automobilech orientuje spiacuteše na palivoveacute člaacutenky kde se vodiacutek využiacutevaacute na vyacuterobu elektrickeacute energie Nicmeacuteně se zaměřiacuteme na použitiacute vodiacuteku ve spalovaciacutem motoru a to převaacutežně z důvodu možneacuteho rychleacuteho nasazeniacute do provozu jelikož uacuteprava spalovaciacuteho motoru neniacute komplikovanaacute a byla už reaacutelně předvedena Dalšiacutem důvodem je cena automobil vybavenyacute palivovyacutemi člaacutenky o stejneacutem vyacutekonu jako 2 litrovyacute benzinovyacute motor maacute desetinaacutesobnou cenu celkovyacutech naacutekladu na konverzi auta se spalovaciacutem motorem [23] Palivovyacute systeacutem motoru je vybaven elektronickyacutem směšovaciacutem systeacutemem kteryacute určuje směšovaciacute poměr vodiacuteku a vzduchu Spalovaacuteniacute probiacutehaacute s přebytkem vzduchu Přiacutedavnyacute vzduch ve spalovaciacutem prostoru odniacutemaacute teplo a tiacutem klesaacute teplota plamene pod kritickou mez nad niž by se směs mohla sama vzniacutetit Vznikajiacuteciacute oxidy dusiacuteku (NOx) jsou neutralizovaacuteny v redukčniacutem katalyzaacutetoru Bez dalšiacutech přiacutedavnyacutech zařiacutezeniacute pracujiacute vodiacutekoveacute motory prakticky bez emisiacute oproti benzinu jsou všechny emisniacute komponenty sniacuteženy až o 999 [23]

661 Koncept Fordu Focus s vodiacutekovyacutem palivem

Projekt uacutepravy seacuteriově vyraacuteběneacuteho Fordu Focus byl koordinovaacuten daacutenskou nevlaacutedniacute organizaciacute Folkencenter kteraacute byla založena v roce 1983 Hlavniacute naacuteplniacute teacuteto organizace je vyacutevoj testovaacuteniacute a demonstrovaacuteniacute technologiiacute využiacutevajiacuteciacute obnovitelneacute zdroje energie Standardniacute Ford Focus s 2 litrovyacutem benziacutenovyacutem motorem byl konvertovaacuten na použitiacute vodiacuteku jako paliva Vysokotlakaacute naacutedrž na vodiacutek o objemu 90 l byla uložena do zadniacute čaacutesti automobilu Bezpečnostniacute a ovlaacutedaciacute prvky byly speciaacutelně vyvinuty Scheacutema systeacutemu je na obraacutezku 35

78

Obr 35 Scheacutema konceptu vodiacutekoveacuteho Fordu Focus [23]

Motor konceptu je startovaacuten pomociacute benziacutenu a po dostatečneacutem zvyacutešeniacute otaacuteček je automaticky přepnut na vodiacutekoveacute palivo Toto uspořaacutedaacuteniacute umožňuje plynuleacute starty a nabiacuteziacute možnost cestovaacuteniacute na delšiacute trasy za použitiacute konvenčniacutech paliv Modifikace byly provedeny na hlavě vaacutelce Palivovyacute systeacutem vodiacuteku byl nově vyvinut přesneacute elektronickeacute řiacutezeniacute motoru je založeno na rychlosti a zatiacuteženiacute motoru Maximaacutelniacute vyacutekon 46 k dostaneme při 4600 otm což umožňuje vyvinout rychlost až 110 kmh Vyacutekonovaacute křivka motoru je na obraacutezku 36

Obr 36 Porovnaacuteniacute vyacutekonu motoru Fordu Focus při použitiacute vodiacuteku a benziacutenu jako paliva [23]

79

662 Průměrnaacute spotřeba vodiacuteku jako paliva

Pro analyacutezy využitiacute vodiacuteku jako paliva a plaacutenovaacuteniacute spraacutevneacuteho rozvrženiacute čerpaciacutech stanic jsou elektrolytickeacute systeacutemy kategorizovaacuteny do naacutesledujiacuteciacutech kategoriiacute dle [24]

bull Domaacuteciacute velikost poskytne palivo pro 1-5 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 200-1000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho sousedstviacute poskytne palivo pro 5-50 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 1000-10000 kg H2rok

bull Velikost sousedstviacute poskytne palivo pro 50 - 150 aut a produkce vodiacuteku se pohybuje mezi 10000-30000 kg H2rok

bull Velikost maleacuteho předměstiacute což může reprezentovat stojan u staacutevajiacuteciacutech benzinovyacutech pump poskytuje palivo pro 150-500 aut a produkce vodiacuteku dosahuje 30000-100000 kg H2rok

bull Velikost předměstiacute poskytne palivo pro viacutece než 500 automobilů za rok a produkce vodiacuteku bude většiacute než 100000 kg H2rok

Počet aut byl určen vyacutepočtem kteryacute předpoklaacutedaacute spotřebu jednoho auta na 200 kg vodiacuteku za rok Spotřeba 200 kg vodiacuteku předpoklaacutedaacute že auto ujede ročně průměrně 19000 km a průměrnaacute spotřeba bude 104 kg vodiacuteku na 100 km Při použitiacute stejnyacutech předpokladů a a použitiacute množstviacute naacutemi vyrobeneacuteho vodiacuteku a to mH=6573 kg může systeacutem instalovanyacute v Novyacutech Dvorciacutech pokryacutet ročniacute spotřebu až 32 automobilů Při zahrnutiacute informaciacute o naacutekladoveacute ceně na vyacuterobu jednoho 1kg paliva a průměrneacute spotřebě automobilu viz přiacuteloha 3 by cena na ujetiacute jednoho kilometru byla 061 Kč Tato cena nereflektuje daň spotřebniacute ani daň z přidaneacute hodnoty

663 Bezpečnostniacute zaacutesady

Vodiacutek je velmi lehkyacute a hořlavyacute plyn kteryacute ve spojeniacute se vzduchem vytvaacuteřiacute vyacutebušnou směs proto je potřeba dodržovat při konstrukci a provozu systeacutemů využiacutevajiacuteciacutech vodiacutek určiteacute bezpečnostniacute zaacutesady a postupy jako napřiacuteklad

bull Dokonale utěsněneacute trubkoveacute prostupy do zařiacutezeniacute a budovbull Použiacutevat bezpečnaacute zařiacutezeniacute ktereacute neprodukujiacute jiskry (osvětleniacute topeniacute

klimatizace)bull Ověřovaacuteniacute diferenčniacutech tlaků použiacutevaacuteniacute ventilaacutetorůbull Použiacutevaacuteniacute panelů miacuterniacuteciacutech přiacutepadnyacute vyacutebuchbull Testovaacuteniacute vodiacutekoveacuteho potrubiacute na tlakoveacute ztraacutety a uacutenikbull Potrubiacute a tlakoveacute naacutedoby profukovat dusiacutekem před manipulacemi s

armaturami aby jsme minimalizovali pravděpodobnost vytvořeniacute hořlaveacute směsi mezi vodiacutekem a vzduchem

Nouzoveacute vypiacutenače

Pro zajištěniacute rychleacute odstaacutevky vyacuteroby by měly byacutet v miacutestě instalace umiacutestěny nouzoveacute vypiacutenače Spraacutevneacute umiacutestěniacute samozřejmě zaacutevisiacute na konkreacutetniacutem provedeniacute systeacutemu Pro vyacuterobu vodiacuteku pomociacute elektrolyzeacuteru by měly byacutet umiacutestěny řiacutediacuteciacute budově na PLC skřiacuteni dalšiacute vhodneacute miacutesto je mimo hlavniacute vstup do produkčniacute budovy v produkčniacute budově opět umiacutestěniacute v bliacutezkosti PLC skřiacuteně

80

Aktivace nouzoveacuteho vypiacutenače by mělo naacutehle ukončit produkci vodiacuteku nebo odstavit proud přechaacutezejiacuteciacute do elektrolyzeacuteru Aktivace zavře pneumatickyacute ventil tak aby došlo k izolaci vysokotlakeacuteho vodiacuteku uloženeacuteho v zaacutesobniacuteku Naacutemi použityacute alkalickyacute elektrolyzeacuter ukončiacute svou činnost okamžitě po odstaveniacute probiacutehaacute promyacutevaacuteniacute dusiacutekem ktereacute trvaacute 10 až 15 minut

Detekce vodiacuteku

Produkčniacute budova a kompresorovna by měly miacutet vodiacutekoveacute detektory Vodiacutekoveacute detektory začnou vydaacutevat alarm když koncentrace vodiacuteku překročiacute 10 Detektory jsou kontinuaacutelně sledovaacuteny PLC ktereacute v přiacutepadě zvyacutešeniacute koncentrace odstaviacute vyacuterobu vodiacuteku a spustiacute alarm

Ventilace

Odsaacutevaciacute ventilaacutetor instalovaacuten do produkčniacute i kompresoroveacute budovy je v provozu kontinuaacutelně aby se zabraacutenilo nahromaděniacute unikajiacuteciacuteho vodiacuteku Odsaacutevaciacute ventilaacutetor je v provozu pokud probiacutehaacute vyacuteroba vodiacuteku Elektrolyzeacuter i kompresor jsou pozastaveny dokud nebude dosaženo na odsaacutevaciacutem ventilaacutetoru potřebneacute diferenciace tlaku kteryacute indikuje dostatečnyacute průtok vzduchu Tlaky jsou opět monitorovaacuteny PLC ktereacute zastaviacute vyacuterobu v přiacutepadě poklesu rozdiacutelu tlaku

Požaacuterniacute detekce

Protipožaacuterniacute ochrana se obvykle sklaacutedaacute ze dvou požaacuterniacutech hlaacutesičů odolaacutevajiacuteciacutech počasiacute a dvou optoelektronickyacutech detektorů kouře V produkčniacute budově jsou umiacutestěny UVIR detektory a detektory monitorujiacuteciacute tepelnyacute vyacutekon Všechny veškereacute detektory jsou spojeny s PLC ktereacute v přiacutepadě detekce požaacuteru odstaviacute vyacuterobu

81

Zaacutevěr

Praacutece teoreticky nastiňuje možnosti použitiacute hybridniacuteho systeacutemu spojeniacute dvou menšiacutech větrnyacutech elektraacuteren firmy Enercon o jmenoviteacutem vyacutekonu 330 kW a alkalickeacuteho elektrolyzeacuteru NELP40 firmy Norsk Hydro Zaacutekladniacutem krokem vyacutepočtu je nalezeniacute vhodneacute lokality umiacutestěniacute větrnyacutech elektraacuteren Prvotniacute vyacuteběr se provaacutediacute pomociacute větrneacute mapy kterou distribuuje ČHMUacute V našem přiacutepadě byla vybraacutena lokalita letiště v Mošnově Druhyacutem krokem je měřeniacute přiacutemo v miacutestě umiacutestěniacute potenciaacutelniacute větrneacute elektraacuterny Pro tento krok byly využity data dodanaacute miacutestniacute meteorologickou staniciacute Data se statisticky zpracovala a ukaacutezala naacutem zaacutekladniacute vlastnosti větru v mošnovskeacute lokalitě Průměrnaacute rychlost větru na letišti Mošnov je vstr=3596 ms-1 a standardniacute odchylka σw=254 ms-1 Tyto hodnoty jsou měřeny ve vyacutešce 3 m nad tereacutenem Pomociacute těchto hodnot byly určeny hodnoty tvaroveacuteho Weibull parametru k=1459 a rozměroveacuteho Weibull parametru c=3969 ms-1 Jelikož budou rotory větrneacute elektraacuterny umiacutestěny ve vyacutešce 44 m je potřeba přepočiacutetat průměrnou rychlost větru praacutevě pro 44 m průměrnaacute rychlost větru ve 44 m je potom Ur=682 ms-1 Jedniacutem ze zaacutekladniacutech faktorů ukazujiacuteciacutech kvalitu umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny je tzv kapacitniacute faktor CFA=029 tato hodnota je relativně niacutezkaacute a dalo se tedy předpoklaacutedat že lokalita v Mošnově neniacute ideaacutelniacutem miacutestem pro umiacutestěniacute větrneacute elektraacuterny Domněnka byla potvrzena po dopočiacutetaacuteniacute celkoveacuteho vyacutekonu větrnyacutech elektraacuteren Pwf=44691 kW Tato hodnota je velmi niacutezkaacute pokud vezmeme v potaz celkovyacute nominaacutelniacute vyacutekon obou elektraacuteren kteryacute je 660 kW Podle větrneacute mapy byly vybraacuteny Noveacute Dvorce jako alternativniacute možnost umiacutestěniacute našich elektraacuteren Shodou okolnostiacute toto miacutesto již využiacutevaacute společnost Větrnaacute energie HL sro kteraacute zde umiacutestila 9 větrnyacutech elektraacuteren s celkovyacutem vyacutekonem 18 MW Podle informaciacute provozovatele byla v miacutestě naměřena průměrnaacute rychlost větru vstr=74 ms=1 a standardniacute odchylka je potom σw=35 ms-1 Tyto hodnoty byly měřeny ve vyacutešce 10 m Vyacutepočet probiacutehal analogicky jako v prvniacutem přiacutepadě Kapacitniacute faktor CFA=0474 Stejně jako v předešleacutem přiacutepadě se dalo tušit že celkovyacute vyacutekon bude vysokyacute maximaacutelniacute kapacitniacute faktor pro větrnou elektraacuternu Enercon E33 je totiž 05 Celkovyacute vyacutekon obou elektraacuteren je v tomto přiacutepadě Pwf=23369 kW což je velmi dobraacute hodnota Předpoklaacutedaacute se že dostupnost tohoto vyacutekonu je 1500 hodin ročně celkovaacute vyrobenaacute elektrickaacute energie W=3505x105 kWhrok Elektrickaacute energie je spotřebovaacutena elektrolyzeacuterem NELP40 firmy Norsk Hydro kteryacute je pomociacute niacute schopen vyrobit mh=6573 kgrok Pro zjištěniacute naacutekladoveacute ceny je prvně potřeba klasifikovat větrneacute podmiacutenky podle zdroje [22] naše lokalita spadaacute do 6 kategorie a cena vyacuteroby 1 kg vodiacuteku je tedy 59 Kč Vodiacutek je daacutele použit jako palivo pro automobily ktereacute použiacutevajiacute konvenčniacute spalovaciacute motory upraveneacute pro spalovaacuteniacute vodiacuteku jako paliva Předpoklaacutedaacuteme že průměrnaacute spotřeba vodiacuteku na jedno auto a rok je 200 kg vodiacuteku Předpoklad zahrnuje ujetiacute 19 000 km za rok a průměrneacute spotřeby 104 kg vodiacuteku na 100 km Produkce vodiacuteku v Novyacutech Dvorciacutech by pokryla provoz až 32 automobilů Naacutekladovaacute cena na ujetiacute 1 km by byla 061 Kč naacutekladovaacute cena pro benzinovyacute je průměrně 120 Kč Tyto ceny nereflektujiacute vyacuteši spotřebniacute daně a daně z přidaneacute hodnoty Zejmeacutena u daně z přidaneacute hodnoty se daacute předpoklaacutedat daňoveacute zvyacutehodněniacute pro vodiacutekovyacute pohon jelikož tento způsob vyacuteroby a využitiacute vodiacuteku neuvolňuje žaacutedneacute emise

82

Seznam použiteacute literatury

[1] Lakva P Netradičniacute využitiacute větrneacute energie Brno Vysokeacute učeniacute technickeacute v Brně Fakulta strojniacuteho inženyacuterstviacute 2009 38 s Vedouciacute bakalaacuteřskeacute praacutece doc Ing Jaroslav Jiacutecha CSc

[2] Rychetniacutek V Pavelka J Větrneacute motory a elektraacuterny ČVUT Praha 1997

[3] Wind energy [online] [citovaacuteno 2012-10-10] Dostupneacute z lthttpwwwgreenrhinoenergycomrenewablewindgt

[4] Luťcha J Hybridniacute soustava větrneacute elektraacuterny a fotovoltaickyacutech člaacutenků KG Process Innovations Brno 2009

[5] Norwegian Electrolysers [online] [citovaacuteno 2012-04-22] Dostupneacute z lthttpwwwnel-hydrogencomgt

[6] Sherif S A Barbir F Veziroglu T N Wind energy and the hydrogen economy-review of the technology Elsevier 2005

[7] Gupta R Hydrogen fuel production transport and storage San Francisco 2008 ISBN 978-1-4200-4575-8

[8] Sobotka K A wind power fuel cell hybrid system study University of Akureyri 2009

[9] Richard S A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles Universiteacute Laval 1996

[10] Agbossou K Chahine R Hamelin J Renewable energy systems based on hydrogen for remote applications Journal of Power Sources New York 2001

[11] Vijayaraghavan K Trends in biological hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy Rennes 2004

[12] Horaacutek B Koziorek J Kopřiva M Studie pohonu mobilniacuteho prostředku s palivovyacutem člaacutenkem VŠB TU Ostrava 2005

[13] Celik AN On the distributional parameters used in assessment of the suitability of wind speed probability density functions Energy Convers Manag Istanbul 2004 [14] Stolten D Krieg D Weber M An Overview on Water Electrolysis Juelich Research Center Berlin 2010

[15] Bourgeois R Advanced Alkaline Electrolysis GE Global Research Center New York 2006

[16] Českyacute hydrometeorologickyacute uacutestav [online] [citovaacuteno 2013-04-21] Dostupneacute z lthttpwwwchmiczgt

83