Gorivne celice na osnovi vodika spodbujajo prehod na soproizvodnjo toplote in električne energije, ki temelji na obnovljivih virih energije

Osrednja komponenta velikega načrta infrastrukture je stacionarni sistem gorivnih celic HEE SPTE, ki kot vir energije uporablja plinasti vodik. Ključne komponente so fuzijsko spojeni ploščni toplotni izmenjevalniki Alfa Laval AlfaNova za hlajenje gorivnih celic in ploščni toplotni izmenjevalnik plin-tekočina Alfa Laval za rekuperacijo toplote izpušnih plinov. Testiran in preverjen sistem sprošča le vodno paro in zrak ter tako pospešuje trajnostno gospodarstvo prihodnosti, ki temelji na vodiku.

Vzpostavitev gospodarstva na vodik

Podjetje HEE, ki je bilo ustanovljeno leta 2018, z razvojem, potrjevanjem in izvajanjem varnih, cenovno dostopnih in trajnostnih energetskih rešitev na osnovi vodika uresničuje svoje poslanstvo zagotavljanja prihodnosti, ki temelji na čisti energiji.

»Hiter prehod na sisteme obnovljivih virov energije je nujen,« pravi Stephan Duch, generalni direktor družbe HEE. »Vodik bo imel ključno vlogo pri zmanjševanju odvisnosti sveta od fosilnih goriv in pri doseganju ničelne stopnje neto emisij.«

Pridobivanje ključnih komponent za sistem gorivnih celic HEE SPTE je bilo na začetku precej težavno. Za rekuperacijo toplote izpušnih plinov in nizov gorivnih celic sta bila jasna prva izbira ploščni toplotni izmenjevalnik plin-tekočina in fuzijsko spojeni ploščni toplotni izmenjevalnik Alfa Laval AlfaNova iz 100-odstotnega nerjavečega jekla.

»Na družbo Alfa Laval smo se obrnili na podlagi njihovega strokovnega znanja, dobrih rezultatov, preizkušene tehnologije ploščnih toplotnih izmenjevalnikov, zmožnosti povečanja proizvodnje na komercialni obseg in skupne vizije pospeševanja prehoda na obnovljive vire energije,«

pravi Julius Jelden-Thurm, glavni tehnični direktor družbe HEE.

Ključni parameter za sistem gorivnih celic HEE SPTE je bila velikost, saj je zasnovan na podobnih sistemih v avtomobilski industriji. Ploščni toplotni izmenjevalniki plin-tekočina so se zaradi svoje ultrakompaktne zasnove, visoke učinkovitosti, izjemno visoke zmogljivosti in dobre odpornosti proti termični utrujenosti izkazali kot odlična izbira za rekuperacijo toplote izpušnih plinov.

Enako velja za Alfa Laval AlfaNova iz 100-odstotno nerjavnega jekla, ki omogoča hlajenje niza gorivnih celic in hkrati zagotavlja čistočo procesa.

Shematski prikaz splošnega sistema z vodikovimi gorivnimi celicami

Vodik se steka v niz gorivnih celic in proizvaja električno energijo. Fuzijsko spojeni ploščni toplotni izmenjevalnik Alfa Laval ohlaja niz gorivnih celic, nato pa ploščni toplotni izmenjevalnik Alfa Laval plin-tekočina rekuperira toploto iz toplega zraka za ponovno uporabo. Ob tem se sproščata le vodna para in zrak.

Najboljše razmerje med ceno in zmogljivostjo

Majhen ogljični odtis, vzdržljivost in veliki toplotni izkoristek so bili glavni dejavnik, da so bili za sistem gorivnih celic HEE SPTE izbrani ploščni toplotni izmenjevalniki plin-tekočina Alfa Laval in fuzijsko spojeni ploščni izmenjevalniki. Razmerje med ceno in učinkovitostjo je bilo prepričljivo.

Naša analiza je pokazala, da so ploščni toplotni izmenjevalci Alfa Laval zagotavljali dobro učinkovitost z 20 odstotkov nižjimi stroški kot primerljive enote,« pravi g. Jelden-Thurm. »Zato je bila odločitev za sodelovanje z Alfa Laval preprosta. Poleg tega imata oba izmenjevalca edinstveno zasnovo, ki se je izkazala kot ključna za uspeh naših stacionarnih sistemov gorivnih celic SPTE.«

Izpolnjevanje zahtev SPTE na vodikov pogon

Kompaktni in trpežni ploščni toplotni izmenjevalci plin-tekočina Alfa Laval zmanjšujejo skupni ekološki odtis in povezane stroške sistema gorivnih celic SPTE. Ploščni toplotni izmenjevalci toplote imajo asimetrične kanale s ploščami z jamičastimi vzorci na strani plina, ki omogočajo velik pretok plina in maksimalno učinkovitost prenosa toplote. To se je izkazalo kot najboljša celovita rešitev za izpolnjevanje zahtev aplikacije. Spajkani material trdno povezuje plošče na stičnih točkah, kar zagotavlja optimalno učinkovitost prenosa toplote in odpornost proti tlaku. Poleg tega je ogljični odtis ploščnega toplotnega izmenjevalnika plin-tekočina za 75 % manjši od primerljivih cevnih toplotnih izmenjevalnikov in veliko manjši od drugih ploščnih toplotnih izmenjevalcev, ki so bili potencialni kandidati za družbo HEE.

Za varno, zanesljivo in učinkovito delovanje je ključnega pomena, da ostane niz gorivnih celic hladen. Naslednji ključni dejavnik je čistoča procesa. Hladilnik nizov gorivnih celic Alfa Laval AlfaNova, ki je izdelan iz 100-odstotno nerjavnega jekla, zmanjšuje izpiranje ionov ter posledično korozijo in degradacijo sistema.

»Toplotni izmenjevalnik AlfaNova s fuzijsko spojenimi ploščami je bil očitna izbira za hlajenje niza gorivnih celic,« pravi g. Jelden-Thurm. »Zagotavlja, da ima voda z visoko stopnjo čistosti, ki se uporablja kot hladilna tekočina, nizko prevodnost, kar je za sistem gorivnih celic nujno.«

Patentirana tehnologija spajanja AlfaFusion družbe Alfa Laval zagotavlja vrhunsko mehansko trdnost in učinkovit prenos toplote, tudi če je temperaturna razlika med vročim in hladnim medijem majhna, kar vam zagotavlja prihranek energije. Še ena prednost: po koncu življenjske dobe ga je mogoče v celoti reciklirati.

Od predserijske do serijske proizvodnje

Potrditev pilotnega sistema vodikovih gorivnih celic SPTE je utrla pot do predserijske proizvodnje v okviru skupnega projekta z mestom Guiyang ter lokalnimi in regionalnimi industrijskimi partnerji. Trenutno poteka gradnja proizvodnega obrata za sistem gorivnih celic SPTE HEE. Družba HEE je pred kratkim naročila dodatne ploščne toplotne izmenjevalnike Alfa Laval za proizvodni obrat v Guiyangu in predvideva, da bo v dveh letih zagnala serijsko proizvodnjo. Cilj je dobava in priključitev sistema gorivnih celic na stanovanjsko omrežje daljinskega ogrevanja v sklopu rešitev obnovljivih virov energije v mestu Guiyang.

»Trenutno uporabljamo vodik, pridobljen iz fosilnih goriv, ob vzpostavitvi infrastrukture pa načrtujemo prehod na pridobivanje ogljika iz uplinjanja odpadne gošče in elektrolize vode, ki ga poganja zelena energija,« pravi g. Jelden-Thurm. »Pri tem naši sistemi gorivnih celic ne povzročajo lokalnih emisij, saj gre za zaprti sistem, ki sprošča le vodno paro in zrak.«

Več kot 100-odstotna skupna učinkovitost sistema

Po podatkih ameriške agencije za varstvo okolja EPA večina sistemov za soproizvodnjo toplote in električne energije, ki temeljijo na fosilnih gorivih, dosega skupno učinkovitost 65–80 %. HEE ocenjuje, da ima njihova vodikova gorivna celica največji električni izkoristek približno 55 %.

Gorivne celice sistema SPTE HEE lahko s konvencionalnimi metodami izračuna dosežejo skupno učinkovitost sistema 105 %,« pravi g. Jelden-Thurm. »Ob upoštevanju dodatne 30- do 40-odstotne učinkovitosti iz rekuperacije toplote iz hlajenja niza gorivnih celic in 15-odstotne učinkovitosti iz rekuperacije toplote izpušnih plinov imajo ploščni toplotni izmenjevalci Alfa Laval bistveno vlogo pri povečanju splošne učinkovitosti našega sistema.«

Opomba: Izračuni v zgornjem odstavku temeljijo na predserijskih enotah za soproizvodnjo toplote in električne energije družbe HEE in jih je treba testirati za daljše obdobje. Dejanski izkoristek električne energije in toplote je odvisen od uporabe.

Sodelovanje za prihodnost s čisto energijo

Glede na dosedanji uspeh skupnega projekta v Guiyangu je družba HEE optimistična glede prihodnosti. Drugi lokalni in regionalni organi po vsej Kitajski z zanimanjem spremljajo napredek.

»Predvidevamo, da bomo aktivno sodelovali pri drugih projektih na Kitajskem in poslovni model Guiyang uveljavili tudi drugje,« pravi g. Duch. »Z veseljem bomo podprli tudi prizadevanja Nemčije, da doseže energetsko samozadostnost z obnovljivimi viri energije in se odreče odvisnosti od fosilnih goriv.«

»Enota za rekuperacijo toplote izpušnih plinov in hladilnik niza gorivnih celic sta ključni komponenti našega stacionarnega sistema gorivnih celic SPTE. So temelj našega uspeha,« dodaja g. Jelden-Thurm.

Družbi Alfa Laval zaupamo in verjamemo, da bomo tudi v prihodnje uspešno sodelovali.« 

Julius Jelden-Thurm, glavni tehnični direktor družbe HEE

Trajnostne rešitve za boljši svet

Družbi HEE in Alfa Laval si skupaj prizadevata izpolniti energetske zahteve prihodnosti ob hkratnem zmanjšanju svetovne odvisnosti od fosilnih goriv. Sistem gorivnih celic SPTE HEE z enoto za rekuperacijo toplote izpušnih plinov Alfa Laval in s fuzijsko spojenim ploščnim toplotnim izmenjevalnikom za hlajenje niza gorivnih celic spodbuja uporabo vodika kot nosilca energije za uspešno komercialno uporabo obnovljive energije.

Alfa Laval razvija inovativne energetske rešitve in pospešuje prehod v čistejšo in bolj trajnostno prihodnost. Te rešitve pomagajo zmanjšati emisije in izboljšati energetsko učinkovitost ter hkrati spodbujajo odgovornejšo rabo naravnih virov. Alfa Laval je kot običajno pripravljen podpreti industrijo gorivnih celic ob povečanju svetovnega povpraševanja.

Prenesi članek praktičnega primera