Wytwarzanie bimbru na własne potrzeby i używanie go do produkcji prądu oraz ciepła w domu – to cel projektu dra inż. Olafa Dybińskiego z Politechniki Warszawskiej, który pracuje nad prototypem jednostki kogeneracyjnej MCeFC (Molten Carbonate e-Fuel Cell) i który za kilka lat może stać się realną konkurencją dla paneli słonecznych czy pomp ciepła.
MCeFC to wysokotemperaturowy stos ogniw paliwowych oparty na technologii ogniw węglanowych, który zamiast wodorem zasilany jest płynnymi biopaliwami i e-paliwami. MCeFC umożliwi uniezależnienie się odbiorców końcowych (w skali domów jednorodzinnych) od sieci elektroenergetycznej i wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła na własne potrzeby z wykorzystaniem paliw, które wkrótce będą dostępne na każdej stacji benzynowej lub będą mogły być wytworzone z wykorzystaniem tradycyjnej fermentacji alkoholowej.
– Jest to wysokotemperaturowy stos ogniw paliwowych bazujący na technologii ogniw węglanowych, jednak zasilany płynnymi biopaliwami i e-paliwami zamiast wodorem – wyjaśnia dr inż. Olaf Dybiński. – Ogniwa te w procesie elektrochemicznym, w ramach którego następuje transport jonów węglanowych, pozwalają na wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła. Cały proces zachodzi przy temperaturze 600-700°C.
To pozwala na wykorzystanie endotermicznej reakcji reformingu parowego paliw płynnych – to znaczy, że paliwa płynne (takie jak nafta, olej napędowy czy różne alkohole) są przekształcane w gaz syntezowy (mieszankę wodoru i tlenku węgla) przy użyciu pary wodnej i ciepła. Bilans cieplny wciąż pozostaje pozytywny.
– Dzięki odpowiedniej konstrukcji możliwe będzie bezpośrednie zastosowanie różnych, w tym syntetycznych, paliw płynnych i biopaliw, co jest innowacją na rynku ogniw paliwowych i w gałęzi urządzeń kogeneracyjnych małej skali – dodaje dr Dybiński.
Główną zaletą MCeFC będzie energetyczna niezależność odbiorców końcowych (w skali domów jednorodzinnych) od sieci elektroenergetycznej
– Do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła na własne potrzeby będą używane paliwa, które wkrótce będą dostępne na każdej stacji benzynowej lub będą mogły być wytworzone z wykorzystaniem tradycyjnej fermentacji alkoholowej – opowiada dr Dybiński. – Mamy tu na myśli alkohole – z naciskiem na te wytwarzane syntetycznie, aby zachować zamknięty obieg dwutlenku węgla – takie jak metanol, etanol, propanol czy też gliceryna, jak również biopaliwa, produkowane głównie w oparciu o naturalne procesy fermentacji alkoholowej, na przykład po prostu bimber. W praktyce wykorzystanie opracowywanego kogeneratora będzie ograniczało się do uzupełniania zbiornika paliwa mieszaniną wody i wybranego alkoholu, gdyż wodór biorący udział w procesie wytwarzania energii uwalniany będzie bezpośrednio w urządzeniu zarówno z paliwa, jak i z wody. Urządzenie MCeFC powinno pracować bez obsługi serwisowej przez kilkadziesiąt tysięcy godzin.
Ile bimbru/alkoholu trzeba będzie wlewać do ogrzania przeciętnego domu i jak duże będzie docelowe urządzenie?
– Z naszych obliczeń wynika, że powinno wystarczyć około 50-60 kg paliwa miesięcznie dla przeciętnego domu jednorodzinnego.
W przypadku domów jednorodzinnych celujemy w skalę urządzeń AGD pokroju pralka, może dwie pralki, ewentualnie kocioł gazowy czy pompa ciepła. Chodzi nam o takie rozmiary, aby można było urządzenie zamontować w piwnicy i – co ważne – aby je także spokojnie do piwnicy wnieść. Wymaga to jednak od nas optymalizacji wagowej i opracowania konstrukcji modułowej, bo ogniwa paliwowe są z reguły ciężkie – powiedział w wywiadzie dla Portalu Samorządowego dr Dybiński.
W projekcie zrezygnowano z paliwa w postaci czystego wodoru, co pozwala uniknąć problemów z jego transportem i magazynowaniem. Te procesy zawsze generują straty, a także wymagają użycia dodatkowej energii elektrycznej, np. do sprężania czy skraplania. To generuje oczywiście kolejne koszty. Wodór jest także łatwopalny i wybuchowy, co również utrudnia transport i magazynowanie oraz byłoby niebezpieczne w przypadku przechowywania paliwa w domu.
Zastąpienie wodoru paliwami, które mogą być transportowane i przechowywane z wykorzystaniem dostępnej infrastruktury, rurociągów, zbiorników i kanistrów, pozwala nie tylko na uniknięcie problemów związanych z wodorem jako paliwem, ale zarazem umożliwia wykorzystanie wszystkich zalet, jakie niesie za sobą rozwój odnawialnych źródeł energii, technologii wychwytu CO2 i magazynowania energii w postaci energii chemicznej paliwa.
– Dzięki wykorzystaniu paliw syntetycznych produkowanych z wychwyconego CO2 (e-paliw) zapewniamy zamknięty obieg dwutlenku węgla, a więc nie generujemy nowych zanieczyszczeń do atmosfery – dopowiada dr Dybiński. – Jeśli natomiast wykorzystamy biopaliwo, tak naprawdę MCeFC będzie odnawialnym źródłem energii, które może być traktowane na równi z fotowoltaiką czy wiatrakami.
Na jakim etapie obecnie jest projekt?
– W ramach wcześniejszych prac badaliśmy możliwości zastosowania paliw płynnych – głównie alkoholi – w pojedynczych ogniwach paliwowych. Po dostarczeniu ich tam bezpośrednio – właśnie w postaci płynnej – zachodził tzw. reforming parowy, czyli wydzielenie wodoru, który bierze udział w procesie elektrochemicznym oraz wydzielenie dwutlenku węgla, który także pojawia się w ramach reformingu i jest wykorzystywany w całym procesie. Na pewno udowodniliśmy jedno: to działa i będzie można wykorzystać ogniwa MCeFC do produkcji energii elektrycznej i ciepła. Teraz musimy przeskalować urządzenie na takie o większej liczbie ogniw paliwowych. W skrócie, musimy wyjść ze skali laboratoryjnej. Zmierzamy do końca, ale przed nami jeszcze kilka wyzwań.
Zmiana wymaga zmiany… przepisów
Wykorzystanie biopaliw do zasilania MCeFC w przyszłości powinno umożliwić traktowanie urządzenia jako generator OZE pracujący w systemie prosumenckim – do tego jednak potrzeba jeszcze dostosowania przepisów.
– W ramach projektu planujemy także opracować strategię zmiany przepisów i lobbować za rozszerzeniem definicji instalacji kwalifikujących się do udziału w rynku energii w roli prosumenta właśnie w celu uwzględnienia generatorów elektrochemicznych takich jak MCeFC – podkreśla dr Dybiński.
Takie rozwiązanie przyniosłoby dodatkowe zyski dla użytkowników i stabilizację pracy sieci elektroenergetycznej w dowolnej skali, gdyż MCeFC generuje stabilną moc elektryczną i jest urządzeniem sterowalnym w odróżnieniu od fotowoltaiki i wiatraków, które w pełni uzależnione są od warunków atmosferycznych.
Obecnie zespół jest na etapie opracowywania projektu technicznego elementów konstrukcyjnych jednostki MCeFC. W skład zespołu wchodzą dr inż. Olaf Dybiński jako kierownik projektu oraz prof. dr hab. inż. Jarosław Milewski, dr inż. Arkadiusz Szczęśniak, dr hab. inż. Łukasz Szabłowski, dr inż. Andrzej Grzebielec, mgr inż. Aliaxandr Martsinchyk oraz mgr inż. Pavel Shuhayeu.
Projekt „Opracowanie mikro-kogeneracyjnej jednostki MCeFC opartej o ogniwa paliwowe MCFC zasilanej E-Paliwami, Biopaliwami i CO₂-neutralnymi paliwami płynnymi” (REGENERATION) jest realizowany w ramach grantu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju LIDER XIV.
Źródło: pw.edu.pl, portalsamorzadowy.pl
