Mikrokogenerace na bázi palivových článků využívajících zemní plyn a vodík může brzy změnit podobu energetiky. Japonci již mají těchto strojů přes sto tisíc.
Kogeneraci, tedy kombinovanou výrobou elektřiny a tepla lze velmi dobře využít ke zvýšení efektivity malých zdrojů a k decentralizaci výroby elektřiny. Decentralizovaná výroba energie má výhodu ve snížení ztrát v elektrorozvodné síti a vyšší bezpečnost dodávek. Výpadek jednoho menšího zdroje pak nemá významný vliv na celou síť. Pro decentralizovanou výrobu elektřiny existují tzv. mikrokogenerační jednotky, které produkují elektrickou energii a teplo pro potřeby domácností nebo komerčních prostor. Současné mikrokogenerační jednotky pracují na principu spalovacího motoru. Vznikající teplo je však v těchto jednotkách rozděleno mezi spaliny a chladivo motoru, a proto je jeho využívání obtížné a získané teplo má obecně nižší teplotu.
Lepší než plynový kotel
Aktuálně se však do popředí dostávají také zařízení na bázi palivových článků. Do roku 2008 byly prodávány pouze jednotky na principu spalovacího motoru a v roce 2014 již byla většina prodaných jednotek na bázi palivových článků. Palivové články mají oproti spalovacím motorům mnoho výhod. Mezi největší výhody patří vyšší účinnost a velmi tichý provoz, který je dán absencí pohyblivých částí. Mají ovšem i určité nevýhody, a to zejména vyšší investiční náklady, které prozatím brání běžnému komerčnímu využití. Do budoucna se však předpokládá výrazný pokles cen.
Nic se nespaluje a netočí. Palivový článek je elektrochemické zařízení, které přeměňuje chemickou energii v palivu přímo na energii elektrickou. Jako vedlejší produkt zde vzniká teplo, voda a v závislosti na typu použitého paliva může vznikat také CO a CO2. Palivové články lze rozdělit do více kategorií. Nejzákladnější je dělení dle provozních teplot na nízkoteplotní a vysokoteplotní. Nejvýznamnějším nízkoteplotním článkem je PEM-FC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), který obsahuje speciální polymerní membránu vodivou pro protony (H+). Tento článek pracuje při teplotách do 100 °C. Výhodou oproti vysokoteplotním palivovým článkům je velmi krátký nájezdový čas a relativně malá degradace palivového článku. Mezi nevýhody patří nutnost použití platinových kovů jako katalyzátoru, vysoké nároky na kvalitu vstupního plynu a omezené využití odpadního tepla.
Vysokoteplotní palivový článek SOFC (Solid Oxide Fuel Cell – palivový článek s pevnými oxidy) pracuje při teplotě 700 – 1000 °C. SOFC články mají velkou výhodu v tom, že pro svůj provoz nepotřebují katalyzátor z platinových kovů. Mezi další výhody patří dobré získávání tepla díky vysokým pracovním teplotám, nižší požadavky na složení paliva a velmi vysoká účinnost. Nevýhodou je delší nájezdový čas a relativně vysoká degradace (1 – 2,5 % z výkonu za rok). V současné době probíhá intenzivní výzkum materiálů a designu palivových článků, který by měl tyto nevýhody co možná nejvíce eliminovat.
Japonci už vyrábějí ve velkém
Největší počet instalovaných mikrokogeneračních jednotek s palivovým článkem na světě je v Japonsku. Koncem roku 2014 jich tu bylo instalováno přes 138 000, přičemž 85 % z těchto jednotek používalo PEM a zbylých 15 % SOFC palivový článek. Do konce roku 2030 chce japonská vláda instalovat na 5,3 milionu jednotek. Změření energetického mixu Japonska se po havárii v jaderné elektrárně Fukushima v roce 2011 posunul od jaderné energie k obnovitelným zdrojům. Japonská vláda začala masivně podporovat vodíkové technologie natolik, že současný japonský energetický plán dává vodíku centrální roli v energetické budoucnosti. Významnou podporu dostaly také mikrokogenerační jednotky, které se nyní, po nedostatcích elektrické energie způsobené nehodou ve Fukushimě, prodávají jako nedílná součást domu.
Němci plánují desítky tisíc vodíkových jednotek
Největším evropským lídrem v počtu instalovaných jednotek s palivovým článkem je Německo, kde bylo mezi léty 2008 až 2014 instalováno 350 jednotek. Do roku 2020 chtějí Němci nainstalovat celkem 72 000 těchto jednotek.
Z důvodu absence vodíkové infrastruktury a dobře rozvinuté plynárenské infrastruktury se v palivových článcích používá jako palivo zemní plyn. Ten je bezbarvý a bez zápachu, a proto se do něj přidávají sirné sloučeniny, které mu dodávají charakteristický zápach a pomáhají odhalit případné úniky. Sirné sloučeniny ovšem působí ve všech typech palivových článcích jako katalytický jed, a proto je třeba tyto sloučeniny odstranit. Z tohoto důvodu je základním krokem odsíření. To probíhá buď pomocí ZnO, nebo adsorpcí na aktivním uhlí, kde se sirné sloučeniny hromadí a je třeba náplně těchto jednotek pravidelně vyměňovat.
Na obrázku č. 2 jsou znázorněny nutné úpravy zemního plynu před jeho použitím v palivovém článku. Je zde vidět, že v SOFC lze použít přímo zemní plyn, který byl pouze odsířený. Naopak PEM články vyžadují daleko důkladnější úpravu zemního plynu a následné dočištění vznikajících plynů. Obzvláště LT-PEM (nízkoteplotní PEM) jsou velmi citlivé hlavně na obsah CO a proto je třeba plyn důkladně upravit. V tomto ohledu jsou SOFC články daleko jednodušší a odolnější. Všechny typy palivových článku samozřejmě fungují i při použití vodíku.
Vysokoteplotní SOFC palivové články jsou oproti PEM článkům vývojově mladší a nejsou s jejich provozem velké zkušenosti, proto je většina dnes prodaných jednotek s články PEM. SOFC články jsou na provoz jednodušší, nevyžadují tak velké úpravy zemního plynu, neobsahují platinové kovy a dosahují vyšší účinnosti.
Výrobci mikrokogeneračních jednotek, seřazeni dle typu používaných palivových článků, jsou uvedeni v tabulce 1. Nabízejí různé typy palivových článků se širokým spektrem výkonů. Z důvodu velkého potenciálu SOFC článků se další část článku bude zabývat pouze jednotkami s SOFC články.
Tabulka č. 1: Výpis výrobců mikrokogeneračních jednotek s typy používaných článků a jejich výkonů.
| Výrobce | Typ článku | Výkon (W) |
| BaxiInnotech | LT-PEMFC | 300 |
| Dantherm Power | LT-PEMFC | 1700 – 2500 |
| EneosCellTech | LT-PEMFC | 250 – 700 |
| Hyosung, GS Fuelcell, fuel cell power | LT-PEMFC | 1000 |
| Panasonic | LT-PEMFC | 250 – 750 |
| Toshiba | LT-PEMFC | 250 – 700 |
| Vaillant | LT-PEMFC | 1000 – 4600 |
| Viessmann | LT-PEMFC | 250 – 700 |
| Elcore | HT-PEMFC | 750 |
| Plug power | HT-PEMFC | 300 – 8000 |
| JxEneos | SOFC/HT-PEMFC | 250 – 700 |
| Ceramic fuel cells | SOFC | 1500 |
| Acumentrics | SOFC | 250 – 1500 |
| Aisin Seiki | SOFC | 250 – 700 |
| Ceres power | SOFC | 1000 |
| Hexis | SOFC | 1000 |
| Kyocera | SOFC | 250 – 700 |
| Sofc power | SOFC | 500 – 1000 |
| Topsoe | SOFC | 1000 |
| Vaillant | SOFC | 1000 |
Princip SOFC jednotek
Pro potřeby využití v SOFC je zemní plyn třeba v prvním kroku zbavit sirných látek. Odsířený zemní plyn může být následně využit buď přímo v SOFC, nebo upraven v jednotce parciální oxidace či parního reformingu, kdy je převeden na směs obsahující vodík, oxid uhelnatý a částečně může obsahovat také oxid uhličitý a nezreagovaný methan. Jednotky používající parciální oxidaci jsou oproti jednotkám s parním reformingem, daleko jednodušší a levnější, ale dosahují nižší účinnosti. Novější jednotky používají parní reforming, který je sice technologicky složitější, ale jednotky vybaveny tímto systémem dosahují daleko vyšší elektrické účinnosti (až 60 % oproti 35 % při použití parciální oxidace).
V SOFC palivovém článku probíhá elektrochemická reakce upraveného zemního plynu, jejíž princip je patrný z obrázku č. 3. Vzduch je přiváděn na katodu, na které dochází za přítomnosti elektronů k rozštěpení molekuly kyslíku na O2- ionty. Tyto ionty jsou transportovány na anodu přes speciální keramickou membránu, která je při provozní teplotě vodivá pro O2- ionty. Na anodě následně probíhá reakce těchto iontů s palivem (H2, CO případně CH4) za vzniku tepla, vody, dle použitého paliva také oxidů uhlíku a hlavně elektronů, které putují elektrickým obvodem opět ke katodě, čímž vzniká elektrický proud. Základním prvkem palivového článku je elektrochemická cela, která se skládá z anody, membrány a katody. Pro zvýšení výstupního napětí a výkonu se jednotlivé cely sériově spojují do svazků nazývaných někdy též stacky.
Elektřina může jít i do sítě
Zatímco spotřeba elektrické energie je v typické domácnosti v průběhu roku více méně konstantní, spotřeba tepla v sezóně významně kolísá, z čehož plynou pro SOFC jednotky provozní problémy. V zimě, kdy je spotřeba tepla relativně vysoká, je palivový článek provozován na plný výkon a v případě nedostatku tepelné energie se zapne také kondenzační kotel, kterým bývají jednotky vybaveny. Takto vyrobené teplo se akumuluje do vody, která se dle potřeby využívá na topení, nebo ohřev teplé užitkové vody. Elektrická energie je využívána domácností, nebo se odvádí do elektrizační sítě. V letních měsících, kdy je spotřeba tepla daleko menší, může být z ekonomických důvodů výhodnější palivový článek odstavit a vyrábět pouze tepelnou energii pomocí kondenzačního kotle, který je součástí jednotky. Elektrická energie se v takovém případě bere pouze ze sítě. Toto řešení může do značné míry ovlivnit výběr vhodné lokality pro instalaci kogenerační jednotky s palivovým článkem.
Obrázek č. 4 ukazuje graf, zobrazující tepelný a elektrický výkon společně se spotřebou zemního plynu a elektřiny při nájezdu zařízení. Z něj je patrná relativně nízká dynamika výkonu jednotky a doba nezbytná pro její nájezd na plné provozní parametry. Po spuštění lze vidět velkou spotřebu elektrické energie potřebné pro nájezd systému, která brzo klesá a zařízení začíná být energeticky soběstačné vzhledem k pokrytí vlastních potřeb. Produkce elektrické energie v palivovém článku začíná po uplynutí 14,5 hodin. Na plný elektrický výkon se jednotka dostává po 45 hodinách. Z hlediska dlouhodobé životnosti je pro SOFC technologii optimální nepřerušovaný provoz. Životnost zařízení daná poklesem výkonu SOFC je typicky limitována počtem teplotních cyklů (zapnuto/vypnuto) pohybujících se v řádu několika set.
Nabízí vysokou účinnost
Na obrázku č. 5 je zobrazena jedna z prvních kogeneračních jednotek na bázi SOFC palivových článků, která se na trhu objevila v roce 2008. Výrobcem je firma HEXIS a jednotka nese název Galileo. Jedná se o mikrokogenerační SOFC jednotku na zemní plyn, kde palivový článek o aktivní ploše 100 cm2 má elektrický výkon 1 kW a tepelný výkon 1,8 kW. V případě nedostatečného tepelného výkonu palivového článku, obsahuje jednotka také kondenzační kotel na zemní plyn o tepelném výkonu až 20 kW. Celková účinnost udávaná výrobcem je až 95 %, kde elektrická účinnost dosahuje až 35 % a tepelná účinnost až 60 %.
Šetří životní prostředí
Od roku 2008, kdy se jednotka Galileo začala vyrábět, se stále vyvíjí. Dnes je na trhu již její třetí generace, která má přes 220 instalací a intenzivně se pracuje na další generaci. Pro ověření, zda je provozování jednotky výhodné, byl v roce 2010 proveden experiment, kdy byla jednotka v provozu nepřetržitě téměř 3 měsíce a zaznamenávala se spotřeba zemního plynu a z něj množství vyrobeného tepla a elektrické energie. Tyto hodnoty byly porovnány s hodnotami z kondenzačního kotle, který byl použit jako referenční zařízení. Výsledky jsou shrnuty v tabulce 2. Lze vidět, že s ohledem na současnou výrobu elektrické energie je celková spotřeba zemního plynu systémem Galileo vyšší než pro standardní kondenzační kotel. Díky současné in-situ výrobě elektrické energie dochází k významné úspoře primárního paliva a v důsledku toho i úspoře finanční. Celková úspora během tohoto testu dosáhla 226 m3 zemního plynu, což pro daný případ (ceny zemního plynu a elektrické energie) představuje finanční úsporu 224 €. Tento test probíhal s první generací systému Galileo, která dosahovala nižší elektrické účinnosti (26,5 %). Současná generace má elektrickou účinnost 35 %, takže dosahuje ještě vyšších úspor. Podle současných propočtů ušetří rodina používající tento systém životnímu prostředí zhruba 1 – 1,5 tuny CO2.
Tabulka č. 2: Výsledky tříměsíčního testu pro ověření výhodnosti SOFC mikrokogenerační jednotky.
| Kondenzační kotel: spotřeba plynu | (referenční situace, ηth = 0,95) | 1419 m3 |
| Kondenzační kotel: cena za plyn | (€ 0,65/ m3) | € 922 |
| Galileo: spotřeba zemního plynu | (ηe = 0,265) | 1560 m3 |
| Galileo: cena za plyn | (€ 0,65/ m3) | € 1014 |
| Galileo: vyrobená elektřina | 1398 kWh | |
| Ušetřeno zem. plynu v elektrárně | (1398kWh/(0,43 * 8,86kWh/ m3) | 367 m3 |
| Cena vyrobené elektřiny | (€ 0,226/kWh) | € 316 |
| Úspory | (€ 922 – € 1014 + € 316) | € 224 |
| Úspory primárních energií | 1419 – 1560 + 367 | 226 m3 |
Cena postupně klesá
Hlavní překážkou většího rozšíření SOFC jednotek je v současnosti stále velmi vysoká cena. Aktuálně se třetí generace systému prodává na německém trhu za 19 000 €. Cena zařízení však stále klesá. Důkazem může být porovnání pořizovací ceny první a třetí generace, kde třetí generace stojí pouze 40 % z ceny první generace. Velmi výrazně se také snížila cena za opravy a náhradní díly a to téměř o 90 %. Současně s tím se také prodlužuje servisní interval a zvyšuje účinnost systému. Životnost současné generace systému je zhruba 20 let, s omezením na životnost vlastního stacku garantovanou výrobcem na 7 – 8 let. Ten je nutné po této době vyměnit. K jednotce lze také přikoupit 7 letý servis s garancí provozu za 470 € na rok. Pokud v uvedeném období klesne výkon palivového článku o více než 30 %, bude v rámci záruky bezplatně vyměněn.
Firma HEXIS vyrábějící systém Galileo má 40 zaměstnanců. I přes tak malý počet lidí dokáže ročně vyrobit okolo 500 systémů. Průměrná provozní doba palivových článků v jednotce je 5 000 hodin za rok, kde zbytek roku obstarává výrobu tepla pouze kondenzační kotel. Nejdelší doba, po kterou se jednotka provozovala bez nutnosti oprav, byla přes 15 000 hodin. Většina jednotek se pohybuje s provozní dobou bez poruch mezi 5 000 – 10 000 hodin. Dohromady již byly systémy Galileo v provozu déle než 2 miliony hodin.
Vývoj jednotek stále intenzivně pokračuje. Oproti prvním generacím byla významně omezena degradace použitých materiálů a tím i zvýšena životnost zařízení. V současnosti je vývoj především zaměřen na další omezení degradace a nahrazení parciální oxidace parním reformingem, čímž se výrazně zvýší elektrická účinnost palivového článku .
Kogenerační jednotky s palivovým článkem mají pro domácí kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla velký potenciál. Ze zkušeností zemí, kde již došlo k nasazení těchto zařízení je zřejmé, že jejich nástup bude pozvolný a závislý na mnoha faktorech. Pro koncového uživatele (domácnosti) bude vždy zcela zásadní cena, resp. její návratnost. Obor domovní výroby elektrické energie a tepla v minulosti již několikrát ukázal, že nárůst poptávky a velkosériová výroba skýtá značný potenciál pro snížení jednotkové ceny až na hodnotu, kdy zařízení bude zcela konkurenceschopné. Obrázek č. 6 zobrazuje mapu evropských států, ve kterých lze mikrokogenerační jednotku s palivovými články koupit.
Výrobci se chystají i do Česka
Mikrokogenerační jednotky s palivovými články nejsou v současnosti dostupné na trhu v České republice. Do budoucna by se ale situace mohla výrazně zlepšit. Například německá firma FuelCell Energy Solutions GmbH hledá obchodní partnery pro vstup na český trh. Tato firma je společným podnikem Fraunhofer IKTS a FuelCell Energy z Drážďan, zabývající se výrobou palivových článků. Mezi úspěšné projekty této firmy patří například instalace palivového článku pro Spolkové ministerstvo školství a výzkumu v Berlíně, pro výškovou budovu a pro komplex budov v Londýně (Regend Street, Quadrant 3, Crown Estate).
České firmy v této oblasti také nezahálí. Například firma ČEZ získala přes kapitálový fond Inven Capital menšinový podíl ve firmě Sunfire. Produktem společnosti Sunfire je světově unikátní technologie palivového článku, který dokáže pracovat obousměrně, to znamená přeměnit palivo (například zemní plyn) na elektřinu a teplo, ale i elektřinu zpět na vodík a další plyny (Power-to-Gas) nebo systetická paliva (Power-to-Liquid). Tyto kroky by mohly vést k brzkému prodeji kogeneračních jednotek s palivovými články i v České republice.
Martin Tkáč, Centrum výzkumu Řež
O AUTOROVI
Ing. MARTIN TKÁČ pracuje v Centru výzkumu Řež jako vědecko-výzkumný pracovník. Specializuje se na vysokoteplotní elektrolýzu, což je opačný proces k palivovým článkům. Hlavním jeho zaměřením jsou degradační procesy použitých materiálů a ověření možnosti propojení vysokoteplotní elektrolýzy s jiným vysokoteplotním procesem, u kterého vzniká „odpadní teplo“ (např. jaderný reaktor IV. generace). V současnosti také studuje doktorské studium na Vysoké škole chemicko-technologické v Praze se specializací na vysokoteplotní elektrolýzu.
Kontakt: martin.tkac@cvrez.cz