Sistem integrat de conversie a energiei din surse regenerabile, RECIS

Contract de finantare nr nr. 226/ 20.07.2006

   Proiectul Sistem integrat de conversie a energiei din surse regenerabile, RECIS, propune o tematica de mare interes pe plan international: hidrogenul ca sursa de energie si aplicatiile lui pentru pilele de combustie, dorindu-se astfel integrarea cercetarii romanesti in prioritatile europene ale platformei PT.9 European Hydrogen & Fuel Cell Technology Platform. Cercetari largite in domeniul producerii hidrogenului si al folosirii sale in dispozitive electrochimice de producere a energiei (fotolizoare, respectiv pile de combustie) se desfasoara actualmente in intreaga lume, conducand la rezultate foarte promitatoare. Totusi, natura competitiva a tehnologiilor de producere a energiei lasa inca loc multor provocari in ceea ce priveste aplicarea si implementarea fotolizoarelor si a pilelor de combustie in societate. Tehnologiile trebuie sa se supuna cerintelor aplicatiilor cu atingerea tintelor de performanta si a celor de costuri. Proiectul este structurat ca si un proiect de integrare, in sensul ca, pornind de la realizarile actuale in tara in domeniul tehnologiei hidrogenului si a pilelor de combustie, se urmareste crearea unor centre puternice de cercetare - dezvoltare pe segmente bine definite si care prin realizarile obtinute sa demonstreze capabilitatea Romaniei de a participa ca partener viabil la Programul FP 7 al Uniunii Europene, pe domeniul mentionat.

   O instalatie de producere a energiei pe baza de pile de combustie utilizind surse noi si regenerabile contine urmatoarele subansambluri componente:

• Generator de hidrogen pe baza fenomenului de fotoliza;
• Stocator de hidrogen;
• Ansamblul de pile (celule) de combustie;
• Invertor de curent;
• Sistem de automatizare, masura si control pentru sistemul energetic;
• Interfete de adaptare a intrarilor/ iesirilor de pe subansamblele componente;
• Sistem de cogenerare a energiei;
• Modul de alimentare a catodului ansamblului de pile de combustie.

   Schema bloc a instalatiei este prezentata in figura 1.
    Hidrogenul ce va fi utilizat in alimentarea pilelor de combustie se obtine prin descompunerea apei intr-o celula fotoelectrochimica, ce are capacitatea de a rupe legatura de hidrogen prezenta in moleculele de apa sub influenta energiei solare.
   Determinarea materialelor optime pentru realizarea unui fotolizor si executia acestuia la nivel de model experimental a reprezentat unul din obiectivele proiectului. In literatura de specialitate problematica referitore la obtinerea hidrogenului prin procedeul de fotoliza este relativ noua, iar majoritate testelor de eficenta au fost facute utilizind surse artificiale de iluminare care sint departe de a reproduce lumina solara. In acest caz eficenta raportata este de 30-40%. In cazul unei expuneri la radiatia solara eficenta raportata pe parcursul unui an a fost de aproximativ 10%. De asemenea se ia in considerare o polarizare a electrozilor celulei cu o tensiune aplicata din exterior de aprox 1V la un curent de 2A fapt ce poate imbunatatii randamentul procesului de fotoliza.
De mentionat este faptul ca in aceste conditii obtinerea hidrogenului ca materie prima pentru pilele de combustie nu implica costuri deosebite in afara de cele legate de mentenanta echipamentului si de gestiunea intrarilor si iesirilor. Hidrogenul obtinut prin fotoliza este de inalta puritate nefiind necesare masuri deosebite de protectie impotriva otravirii pilelor.    Modulul Control 3 monitorizeaza in principal PH-ul din fotolizor si asigura alimentarea cu apa pe masura ce solutia apoasa se consuma. Se precicizeaza ca celula de fotoliza separa cele doua gaze si pentru a obtine o puritate inalta a hidrogenului este necesar ca in prealabil sa se procedeze la curatirea traseelor prin vidare.
   Modulele Control 1 si Control 2 asigura conditiile optime de alimentare cu hidrogen a vasului stocator. Se considera ca pentru o aplicatie stationara, in timpul zilei consumurile de energie electrica sint reduse, motiv pentru care hidrogenul produs se stocheaza in acest interval de timp.
   Stocatorul de hidrogen a fost realizat in cadrul institutului in colaborare cu ITIM Cluj Napoca (in cadrul unui proiect MENER) si are un volum de stocare de 12Nm3 si un raport de eficenta de 5% (masa de hidrogen stocata/ greutatea hidrurilor). Presiunea si temperatura de absorbtie/desorbtie formeaza parametri de intrare ce trebuie asigurati de modulele Control 1 si Control 5. Temperatura de absorbtie este de 250 C la o presiune de intrare de 15bar, iar desorbtia se face incepind de la 400 C functie de debitul dorit. Stocatorul necesita apa de racire in procesul de absorbtie si apa calda la desorbtie. Modulul Control 5 realizeaza controlul temperaturii pe stocator. Apa calda pentru incalzirea stocatorului in procesul de desorbtie este preluata de la un schimbator de caldura care in circuitul primar este alimentat de apa generata de catodul ansamblului de pile de combustie.
   Ansamblul de pile de combustie este alimentat pe partea anodica cu hidrogen prin intermediul modulului Control 2 care fixeaza parametrii fizici de intrare a gazului (presiune, temperature, debit ) si pe partea catodica cu aer prin intermediul modulului Control 4 cu aceleasi functii ca si Control 2. Cele doua module trebuie sa se coreleze astfel incit sa nu existe diferente mari de presiune pe cele doua parti ale ansamblului MEA, care pot duce la distrugerea membranei. Alimentarea la catod se face cu aer imbogatit in oxigen de la fotolizor cu o suflanta cu vas tampon. Cele doua module mai au rolul de a controla si gradul de umidificare a fluidelor introduse. Mentinerea temperaturii pilelor la o valoare constanta de 80 grade Celsius se face cu apa de racire deionizata in circuit inchis prin intermediul modulului Control 7. Presiunea de alimentare a pilelor cu o putere debitata de 5kW este de 1-1,1 bar fiind necesart un debit de hidrogen de 1-1,5 Nm³/h. Gradul de umidificare la anod si catod este de 80%. Gestionarea optima a fluidelor de alimentare reprezinta o activitate distincta in cadrul sistemului si poate imbunatati randamentul electric a pilelor cu pina la 25%.
   Tensiunea generata de ansamblul de pile de combustie este distribuita prin intermediul modulului Control 6 spre un convertor CC/CA. Modulul Control 6 verifica starea acumulatorului si a necesarului de energie electrica si transmite parametrii de stare sistemului de automatizare. Acumulatorul pe baza de litiu de 4,8 kW reprezinta un element tampon pentru ca disfunctionalitatile momentane ale ansamblului energetic sa nu se regaseasca in tensiunea generata la iesire. De asemenea acumulatorul asigura tensiunea necesara in regimul de pornire a instalatiei, atit pentru elementele sistemului de automatizare, masura si control cit si pentru incalzirea stocatorului de hidrogen in conditiile in care fotolizorul nu genereaza gaz. Experimentele efectuate pe ansamblul pilelor de combustie urmareste determinarea performantelor functionale, elaborarea bilantului energetic si teste de anduranta.
   Sistemul de automatizare, masura si control monitorizeaza in permanenta parametrii functionali ai instalatiei prin intermediul modulelor Control 1-7 , si utilizeaza un sistem de achizitie si comanda cu calculatorul.
   Sistemul de automatizare, masura si control la nivel de model experimental, intr-o varianta moderna, contine configuratii constructive cu consumuri reduse de energie. Consumul maxim pentru intreg ansamblul de control pe parte electrica nu depaseste 1,5 kW. Elaborarea programelor de achizitie si comanda s-a facut in baza platformei de programe LabView. Trebuie mentionat faptul ca instalatia are un grad de complexitate sporit, cu multe elemente de noutate, sensibile atit la parametrii de functionare, cit si la influentele factorilor externi si in aceste conditii nu se recomanda monitorizarea si controlul local, deoarece in exploatarea de durata este necesar un personal numeros, iar factorul uman introduce un coeficent de risc sporit.
   Instalatia contine si un sistem de comanda si control optimizat pentru un invertor de 5KW alimentat de ansamblul pilelor de combustie si care sa genereze pe iesire o tensiune de 220Vca la o frecventa de 50Hz, reducind numarul armonicilor. De asemenea s-a urmarit incadrarea riplului de curent al pilelor in limitele recomandate iar testarile s-au facut si pe o sarcina dinamica (motor AC cu frina).
   Sistemul de cogenerare a energiei termice utilizeaza drept sursa primara apa rezultata la catodul pilelor de combustie, care are o temperatura de iesire de aproximativ 800 C dar si apa rezultata din schimbatorul de caldura de pe circuitul de racire a ansamblului de pile de combustie. Acest sistem de cogenerare asigura incalzirea stocatorului in timpul regimului de desorbtie (suplimentar s-a prevazut si o incalzire electrica cu termoreglare) si alimenteaza cu apa calda o eventuala aplicatie stationara.