typy na akumulaci

[Brumla]

krásný článek z http://www.biom.cz :
Využití vodíku k regulaci výkonu obnovitelných zdrojů energie

Aleš Doucek, Luděk Janík, Daniel Tenkrát

Vodík může být vyráběn mnoha způsoby z širokého spektra vstupních zdrojů. V celosvětové produkci vodíku dominuje v současné době výroba z fosilních paliv. Denně je na světě vyprodukováno přibližně 1,4 mld. Nm3 (127 tis. tun) vodíku. Obrázek 1 ukazuje zastoupení různých zdrojů využívaných v dnešní době (využívají se zejména tyto technologie: parní reforming zemního plynu, parciální oxidace ropných frakcí a zplyňování uhlí).


Obr. 1: Rozložení zdrojů, z nichž se v současné době získává vodík

Využívání takto vyrobeného vodíku může pomoci lokálně snížit produkci některých zdraví poškozujících látek, globálně by však vedlo pouze k méně hospodárnému využívání primární energie a s tím souvisejícímu nárůstu produkce oxidu uhličitého. Proto je nezbytné hledat jiné způsoby výroby vodíku.

V budoucnu bude jednou z možností využití dnes vyvíjených jaderných reaktorů čtvrté generace. Vysoká teplota chladiva na výstupu z reaktoru je postačující pro vysokoteplotní elektrolýzu i některé perspektivní chemické cykly. V současnosti je zájem směřován také do oblasti výroby vodíku z obnovitelných zdrojů. Pomocí nich se získává zejména elektrolýzou vody nebo zplyňováním či pyrolýzou biomasy [1].

Elektrolýza vody

Elektrolýza je proces, při kterém stejnosměrný proud při průchodu vodným roztokem štěpí chemickou vazbu mezi vodíkem a kyslíkem. Proces elektrolýzy může probíhat za normálních teplot a pro jeho chod je nutná pouze elektrická energie. Tímto způsobem jsou vyrobena asi 4 % z celkové světové produkce vodíku. Účinnost procesu se pohybuje v rozmezí 80–92 %. K výhodám elektrolýzy patří možnost použití různých zdrojů vstupní energie a vysoká čistota vodíku. Nevýhodou může být vysoká cena elektrické energie. Konvenční elektrolýza je proto výhodná zejména tam, kde je levná elektřina a dostatek vody. Na celkové účinnosti elektrolytické výroby vodíku se podílí především účinnost výroby elektrické energie, která je pro stávající zdroje 30–40 %. Celková účinnost elektrolýzy se pak pohybuje přibližně v rozmezí 25–35 %.


Obr. 2: Podíl investičních a provozních nákladů ve výrobní ceně vodíku

Energetické využití vodíku

Vodík je principiálně možno využít dvěma způsoby. Chemickou energii, která je v něm uchována, je možno uvolnit buď jeho spálením ve spalovacím motoru, případně turbíně, nebo využít jeho výjimečných vlastností a přeměnit jej přímo na elektrickou energii v palivových článcích. Ačkoli první z možností je v dnešní době poměrně dobře zvládnutá, druhá nabízí, i přes nutnost překonat některé vývojové překážky, zvýšení účinnosti využití energie až o desítky procent.

Z hlediska oblastí využití připadá v úvahu zejména využití vodíku v dopravě a energetice (regulace zdrojů, záložní zdroje).

Vodíkové spalovací motory

Možnost práce spalovacího motoru na vodík byla zkoušena od 20. let minulého století. Vodík hoří velmi rychle řetězovou rozvětvenou reakční kinetikou. Jeho plamen je v důsledku vysoké výhřevnosti stabilní i při velmi chudé směsi, což lze využít pro omezení emisí oxidů dusíku. Nevýhodou spalování vodíku je malá objemová výhřevnost směsi, daná nízkou hustotou vodíku. Zejména použití chudých směsí vyžaduje proto přeplňování a pokud možno vstřik vodíku do válce až během sání, nejlépe ke konci sacího zdvihu. Vývoji spalovacího motoru na vodík se dnes věnují i některé významné evropské a světové automobilky.


Obr. 3: Schéma integrovaného sytému [5]

Palivové články

Palivový článek je zařízení, které při elektrochemické reakci přeměňuje chemickou energii kontinuálně přiváděného paliva s oxidačním činidlem na energii elektrickou. Oproti tepelným strojům s generátorem elektrické energie dosahují palivové články při výrobě elektrické energie vysokých účinností a to až 60 % v laboratorních podmínkách. Reálná účinnost však dosahuje pouze 35–50 %, dle zatížení a typu palivového článku. Vysoká účinnost je dána zejména tím, že přeměna energie je přímá, nikoliv přes mezistupně (tepelnou a mechanickou), jako je tomu např. u spalovacích motorů.

V současné době je vyvíjeno pět typů palivových článků lišících se především chemickým složením elektrolytu, provozními teplotami a možným palivem. U naprosté většiny palivových článků vystupuje jako oxidační činidlo vzdušný kyslík, výjimku tvoří jen specializované aplikace například v kosmonautice. Nízkoteplotní palivové články využívají jako palivo vodík nebo methanol, vysokoteplotní články mohou zužitkovat například i zemní plyn. Jednotlivé typy článků vhledem k rozdílným provozním parametrům nacházejí uplatnění ve velmi odlišných aplikacích. Nízkoteplotní palivové články jsou dominantně využívány v mobilních aplikacích k výrobě elektrické energie, vysokoteplotní články naopak převládají v kombinované výrobě tepla a elektrické energie v aplikacích stacionárních.

Palivové články jsou v současnosti technologicky velmi vyspělá a bezpečná zařízení. Jejich komerčnímu rozšíření brání prozatím jejich vysoká cena daná stupněm vývoje, převážně kusovou výrobou a v neposlední řadě cenou použitých materiálů. U nízkoteplotních palivových článků je to především cena fluorovaných membrán a platiny, u vysokoteplotních potom cena materiálů schopných odolat vysokým teplotám a korozívnímu prostředí [2].

Ekonomické hledisko

Principiální výhodou vodíku oproti elektřině je možnost jeho skladování. Při uvažování pokročilejších metod výroby vodíku, jako je například vysokoteplotní elektrolýza, lze (alespoň částečně) využít i tepelnou energii, což má příznivý vliv na celkovou účinnost výroby vodíku.

Elektrolýza vody – energetické a investiční náklady

Spotřeba elektrické energie na výrobu 1 m3 H2 je v dnešní době asi 5,2 kWh, tedy přibližně 57 kWh/kg. Graf na Obr. 2 ukazuje orientační podíl investičních a provozních nákladů ve výrobní ceně vodíku.

Z hlediska využitelné energie je vodík asi 4x hodnotnější než dnes využívaná ropná paliva. Výrobní cena vodíku, která by se v případě elektrolýzy pohybovala okolo 100 Kč za kilogram, je tedy srovnatelná s asi 25 Kč za litr benzínu. Při současné ceně ropy a stávající daňové politice tedy platí, že využití vodíku pro dopravu je z hlediska provozních nákladů výhodnější než využití dnešních pohonných hmot.

Výroba vodíku pro regulaci obnovitelných zdrojů

Oblast obnovitelných zdrojů patří z pochopitelných důvodů již delší dobu mezi priority jak evropské, tak národní politiky. Jelikož je však výroba elektrické energie pomocí větru nebo fotovoltaických (PV) panelů poznamenána nerovnoměrností zapříčiněnou nestálými přírodními podmínkami, představují tyto zdroje značnou zátěž pro stávající přenosovou a distribuční síť. Dalším negativem je nutnost zálohovat tyto zdroje pomocí zdrojů klasických. Tyto důvody při- spívají také ke zvýšení ceny energie pro konečné zákazníky.

Vodíkové technologie mohou sloužit k uskladnění energie vyrobené z obnovitelných zdrojů o nestálém výkonu přímo v místě výroby. Takto získaný vodík lze poté využít dle lokálních podmínek buďto jako palivo pro dopravu nebo pro opětovnou výrobu elektřiny, například ve stacionárních palivových článcích nebo motorech. Jednoduché schéma popisovaného uspořádání ukazuje Obr. 3. [3,4]

Elektřina získaná z obnovitelného zdroje je konvertována na vodík pomocí elektrolýzy. V současnosti připadá v úvahu zejména elektrolýza klasická, v blízké budoucnosti lze očekávat výraznější uplatnění elektrolýzy s využitím protonvýměnné membrány [6] (obě za běžných teplot).Vodík je následně stlačován kompresorem na tlak až 350 bar a skladován ve vodíkových nádržích [7]. K opětovné transformaci vodíku na elektřinu je možné využít stacionární spalovací motory nebo palivové články. Výběr vhodného zařízení závisí zejména na ekonomických faktorech, na velikosti zařízení, ale také na požadované kvalitě stabilizace obnovitelného zdroje.

Jednou z překážek pro větší rozšíření využití solární energie pro výrobu elektřiny je tedy variabilita zdroje. Pro samostatné energetické systémy (stand-alone power system – SAPS), lze vyrovnání krátkodobých denních výkyvů dosáhnout využitím baterií. Pro dlouhodobější zálohování nebo regulaci větších zdrojů připojených do distribuční sítě je však využití baterií nedostatečné a nabízí se využití vodíku, který je vyráběn pomocí elektrolýzy. V následujícím textu jsou porovnány ekonomické charakteristiky zmíněných přístupů k regulaci:

1. PV/baterie: fotovoltaické moduly s uskladněním elektřiny v bateriích. Tento přístup je zde popsán zejména jako reference.

2. PV/elektrolýza: Druhý přístup využívá elektřinu z PV modulů v kombinaci s elektrolyzérem zajišťujícím výrobu vodíku a kyslíku, zařízení na čištění a kompresi, systém skladování a zařízení na opětovnou výrobu elektřiny z vodíku (motor + generátor, palivový článek).

Pro první případ je účinnost uložení elektřiny do baterií a jejího opětovného získání asi 85 %. V závislosti na velikosti zařízení a požadavku na kvalitu zálohování a stabilizace je však nezbytné využít značné množství baterií (např. pro SAPS s průměrným denním výkonem 10 kWh/d [8] je to až asi 250 kWh). Využití takového množství baterií představuje značné investiční náklady. Naproti tomu, využití druhého přístupu – kombinace fotovoltaických panelů a výroby vodíku – se vyznačuje nižší účinností maximálně 50 %. Z toho plynou vyšší nároky na zdroj primární energie (PV) avšak investiční náklady jsou téměř nezávislé na množství skladované energie. Využití vodíku se tedy vyplatí zejména tam, kde je potřeba uchovávat značná množství energie po delší dobu.[9]

Závěr

Existuje mnoho cest, jak vyrábět vodík. Preference jedné vyplyne z lokálních podmínek výroby, poptávky a především z investičních a provozních nákladů více než z celkové účinnosti procesu. Konvenční elektrolýza najde pravděpodobně uplatnění v menších lokálních zdrojích vodíku. Elektrická energie z obnovitelných zdrojů může být s výhodou využita právě pro lokální výrobu vodíku, odstraňuje komplikace s regulací energetické přenosové soustavy. Výroba vodíku se tak může stát perspektivní alternativou regulace spotřeby elektrické energie.

[Brumla]

co takhle tohle udělat větší:-)))
http://shop.conrad.cz/websale7/Sada-pal ... d%2fmd5%7d

[Brumla]

ale.. znáte to.. "vííí bůůh:-))

[tomas]

Větší:
http://www.fronius.com/cps/rde/xchg/SID ... 4_1586.htm
http://www.fronius.cz/cps/rde/xchg/SID- ... 0_6270.htm
http://www.solarninovinky.cz/2010/index ... 5&rm=15:86

[Brumla]

ne že bych to znal.. vim že Fronius jede s Hondou v PČ a je to funkční.. akorát se to nikde moc neví, byl jsem se podívat u rakušáků na ten jejich dům s žitím zadarmo.. a byl tam o tom filmík.. Honda to auto nepředváděla rakušákům ale Froniusu... či co... německy totiž umim dobře akorát kejchat:-((

[Brumla]

Další průser je v tom, že na takový zařízení by člověk musel být někde jinde, než zrovna tady...

[camel1cz]

Ano, ten palivový článek od Panasonicu sem taky zaregistroval - otázka je, kdy a jestli to sem vůbec dorazí...

@ Brumla: Je vtipné, jak nás napadla podobná věc. Před pár dny sem počítal, jaký výkon se dá nacpat do vody v systému "přečerpávací elektrárna"... bohužel čísla mě nepotěšila.

Nějak sem nepostřehl, kolik vodíku je třeba na uskladnění 1kWh - ale předpokládám, že hustota energie vodíku bude nejmíň o 3 řády lepší než hustota potenciální energie vody

Pokud bychom měli levné a účinné uskladňování energie, řešilo by to fakt hodně... napadá mě ještě setrvačník (kinetická energie - ta má přeci jen rychlost v druhé mocnině), před časem sem četl o městských autobusech poháněných setrvačníky a dostali do nich slušnou energii - asi si večer dám fyzikální okénko

[Brumla]

Já o akumulaci energie do vodní nádrže uvažuji...ovšem ne jako přečerpávačka, ale do zásobníku užitkové vody ze studny, když bude dost elektriky, pustí se čerpadlo atd... z této nádrže už bude rozvod samospádem k výtokům: WC, doplňování vody do bazénu,rybníčku, akvárek a samozávlahy. celé léto tu vodu čerpat stejně musím, skoro 1m3 denně.
Mám už i nádrž 4 m3, ale když se dělala střecha, tak se na ní jaksi zapomělo, a teď mám dilema rozřezat a zas svařit,, nebo rozebrat střechu v záruce:-((

[camel1cz]

Vidíte, tohle využití mě nenapadlo - pořád se ženu ve výsledku zpátku k elektřině, ale ve finále to nutné není!

Energeticky: zvednout vodu o 1m mi vychází cca. 10kJ... o 6m je to 60kJ, což je práce 17kWh - účinnost těžko odhadovat čerpadlo, ale moc přes 50% bych v kombinaci s motorem nečekal. Teda 1m3 bude kolem 30kWh.

Ekonomicky: z řádu koupím kubík za cca. 40Kč (nemáme stočné), 30kWh koupím z nočního proudu za cca. 100Kč

Teda když nekoupím proud od ČEZ na něco jiného a koupím vodu z řádu (ekologové prominou), tak je to podstatně efektivnější...

Nebo někde dělám chybu? (nedivil bych se sem z toho vypadnul

[Brumla]

V každem případě budu mít vodu zadarmo na půdě, 10 m nad nejnižším výtokovým ventilem za elektriku, kterou bych pouštěl do země, či kam, když jí ostrov vyrobí a baterky jsou nabitý.
Nynější stav je vodárna s příkonem 1,3 kW čez na 220, dal jsem tam měřák do zásuvky a za týden ( a to se ještě nedopouštělo do bazénu ) to hodilo 13,5 kW bratru za 70 Kč... teď, když mozol pálí jako blázen tak od neděle 12,00 do dnes 13,30 16,2 kW, když to bude pokračovat, sežere to 30 kW za týden. .. do září 600 kW.... a pak že mám vodu ze studny zadarmo:-((

[Brumla]

chci na to tohle čerpadýlko, k němu motor ze stěračů ávie ten má 900 ot, 160 W a k tomu tu elektriku:-))
http://www.dc-pump.cz/show_goods.php?ko ... 1&catid=36

[camel1cz]

To je teda masakr - vždycky sem bral vodu ze studny fakt zadarmo... ale koukám, že to je vážně dražší než z řádu - to snad není možný! Máte představu, kolik m3 ste za tu dobu vyčerpal? Zajímá mě reálná práce spotřebovaná na načerpání 1m3 ze studny (svému výpočtu moc nevěřím

Možná by stálo za to zamyslet se nad tím, jestli nepůjde dát ta nádrž níž... spotřebovaná energie bude lineárně klesat s výškou... metr dolu a 10% energie doma... záleží, jaký tlak potřebujete.

Popř. opravdu radějí ohřívat vodu v bojleru (stejně se koupete každý den) a tím ušetřit kWh za plnou cenu od ČEZ... (nevím, jestli máte ekologickou motivaci, nebo nemáte vodovodní řád - v tom případě mlčím a žmoulám čepici

[Brumla]

protože čerpadlo pracuje teď na tlakový spínač dodaný s vodárnou zapíná 3,2 Bar, vypíná 4,2 Bar ve 3,5 barech dává asi 2m3 vody za hodinu příkon je 1300 W. hledal jsem nějaký graf na grundfosu, ale čerpadlo je už 11 let staré, a tenhl etyp už neexistuje, podobný teď už má motor ,775 kW ale výkony vypadají stejně..protože jsem relativně náročný akvarista, jen ve vodním hospodářství mi proteče tak 1 m3 denně do žumpy.. takže kubík asi za 3 Kč... z bazénu se odpaří a odkalí další ,05 kubík a jezírko je nemlich, zalejvání a oplach aut, a jsme na 3 m2 denně, 9 Kč x 120 1100, za sezonu jen za elektriku pro koníčky... no a 4 x WC v baráku, kde jsou 3 ženský x 2 chlapi takže 3,5 ženský... to radši nepočítám:-((

[Brumla]

Nádrž níž dát nemůžu, protože mamina by jí asi v obýváku neschroustla:-))) Na půdě mám přiravenou lafetu přes nosné zdi, ale mám úzký dveře na půdu.. proto to dilema.(
Na VaK jede 2xkoupelna a kuchyň... cca 20 m3 měsíčně za dnes 79,80 / M3

[Brumla]

TUV jede na solár celoročně, mám dva panely, jeden 10°od jihu na východ, druhý cca JZZ , každý den 300 l na 60 v dnešních osvitech i víc

[Brumla]

zapoměl jsem, že na cca 38 °C je voda ohřívána tělesem 2,5 kW na noční proud , přes zimu 18 kW denně( to se nahřívá na 45 °C a 5°c do padesátky dostává z výstupu kondenz. kotle) , od 21.5. do dnes 3,5 kW denně průměr..ostatní je za nejlepší zůročení peněz - solár.

[camel1cz]

To sem teda jelen, kde je chyba - páč 2m3 vody za hodinu, motor 1,3kW - to znamená, že načerpáte 1m3 za 0,65kWh - teda 3Kč za kubík. Příjde mi to hrozně málo energie.

Už jen potenciální té vody je: 10m * 1000kg * 10m/s2 = 100kJ = 100kWs (aaaaaaa, už vídím, kde sem udělal botu) = 0,03kWh

Podle všeho ta soustava motor-čerpadlo jede na účinnosti kolem 5% to snad není možný - ale to není ten objev dne - spíš to, jak sem se nehorázně seknul v tom výpočtu - konkrétně o víc jak 3 řády

Teda beru zpět tu lepší ekonomiku kupování vody z řádu a červenám se Tohle se mi dost líbí, asi budu uvažovat o vybudování nádrže někde nahoře - ale barák mi 2 tuny neunese

[camel1cz]

Ten termosolár mě zajímá - jaké máte panely a bojler? To je něco koupeného nebo bastl s výměníkem? A jak je to v zimě, fakt to stíhá?

TUV musím řešit hodně rychle - stěhuju se za měsíc

[camel1cz]

Aha, už vidím ten váš druhý post... takže:

v zimě: jede na 45 stupňů to 2,5kW těleso (zbytek kondenzace) a co solár? (cca. 18kWh do tělesa za den)
v létě dohříváte topným tělesem na 38 stupňů a zbytek dá solár? (cca. 3,5kWh do tělesa za den)

CHápu to správně?

[Brumla]

uplně přesně:-)) panely mám REFLEX : http://www.reflexcz.cz/cz/solarni-kolektory ten větší typ, Aku 300 DZD a zbastlené kombiné.. pošlu :http://brumlaaa.rajce.idnes.cz/2011-05- ... 011304.jpg
výstup z kotle proběhne výměníkem a pokračuje do vytápění o neco ochuzen... topím bez ekvitermu, pouze na kotlový termostat teplota na výstupu 52-54 °C vratná od 30 - 40°C , teplotu v místnostech hlídají hlavice.