Μελέτη, κατασκευή και λειτουργία συστήματος παραγωγής υδρογόνου

• Κύριος συγγραφέας: Βέλος, Κωνσταντίνος
• Άλλοι συγγραφείς: Πυργιώτης, Ελευθερία
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2014
• Θέματα: Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε.); Υδρογόνο; Renewable energy sources; Hydrogen; 621.042

Τα τελευταία χρόνια έχει δημιουργηθεί επιτακτική ανάγκη ανάπτυξης νέων μεθόδων για την παραγωγή ανανεώσιμων μορφών ενέργειας. Οι ενεργειακές απαιτήσεις που καλύπτονται από τα ορυκτά καύσιμα, τα οποία περιέχουν άνθρακα, έχει σαν αποτέλεσμα την αυξανόμενη απελευθέρωση CO2, γεγονός που ευνοεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου και την όξινη βροχή. Η εξάρτηση λοιπόν από τις εξαντλήσιμες πηγές ενέργειας, αφού οι ποσότητες των ορυκτών καυσίμων είναι περιορισμένες, και η ρύπανση του περιβάλλοντος, αποτελούν κινητήριες δυνάμεις για την ανάπτυξη και εκμετάλλευση νέων εναλλακτικών μορφών ενέργειας. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, κατασκευή και υλοποίηση ενός αυτόνομου υβριδικού συστήματος παραγωγής υδρογόνου, ως μια ανανεώσιμη μορφή ενέργειας (ΑΠΕ), εκμεταλλευόμενο την πλεονάζουσα ενέργεια από ΑΠΕ. Το σύστημα περιλαμβάνει μια ανεμογεννήτρια και μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια, οι οποίες αποτελούν τις κύριες ενεργειακές πηγές, ενώ μια υδρογονογεννήτρια (ηλεκτρόλυσης) χρησιμοποιείται για τη πλήρωση με υδρογόνο των φιαλών που περιέχουν μεταλλικά υδρίδια. Το αποθηκευμένο υδρογόνο των φιαλών τροφοδοτεί την κυψέλη καυσίμου τύπου PEM. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από το αποθηκευμένο υδρογόνο καλύπτει τις ανάγκες φορτίου τις ώρες αιχμής. Ως εξομοιωτής φορτίου χρησιμοποιήθηκε ρυθμιζόμενη ωμική αντίσταση ισχύος. Συγκεκριμένα στο 1° κεφάλαιο, «Τεχνολογία ΑΠΕ», γίνεται μία γενική αναφορά γύρω από τη διεσπαρμένη παραγωγή, τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) και το έντονο ενδιαφέρον που έχει παρατηρηθεί τα τελευταία χρόνια παγκοσμίως σε αυτόν τον τομέα. Εξετάζονται οι χρήσεις τους, τα πλεονεκτήματα - μειονεκτήματά τους και η κατάσταση που επικρατεί. Επίσης, παρουσιάζονται οι αρνητικές επιπτώσεις από τη καύση των υδρογονανθράκων, που αποτελούν κύρια πηγή ενέργειας τη σημερινή εποχή. Στο 2ο κεφάλαιο, «Ενέργεια υδρογόνου», γίνεται αρχικά μια σύντομη αναφορά στις ιδιότητες του υδρογόνου όσο και στις τεχνολογίες για την παραγωγή του, δίνοντας έμφαση στην παρασκευή μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού, αφού αυτή η μέθοδος θα χρησιμοποιηθεί. Στη συνέχεια γίνεται παρουσίαση των τρόπων μεταφοράς-διανομής και σύγκριση του υδρογόνου έναντι άλλων συμβατικών πηγών ενέργειας. Τέλος εξετάζονται οι κίνδυνοι που ενέχει ως καύσιμο και τα πλεονεκτήματα του έναντι των μπαταριών ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας. Στο 3ο κεφάλαιο, «Αποθήκευση του υδρογόνου», γίνεται αναφορά σε όλες τις τεχνολογίες αποθήκευσης και δέσμευσης του υδρογόνου, όπως υγροποίηση σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, αποθήκευση σε δοχεία υπό υψηλή πίεση και με εισχώρηση σε μεταλλικά υδρίδια. Συγκεκριμένα αναλύεται η χρήση προηγμένων υλικών (μεταλλικά υδρίδια) που είναι το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στο 4ο κεφάλαιο, «Κυψέλες καυσίμου», παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου. Ακολουθεί η διάκριση ανάλογα με τον τύπο του ηλεκτρολύτη που διαθέτουν καθώς και σύγκριση όλων των τύπων. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στην εμπορευματοποίησή τους ανάλογα τον τύπο τους και τέλος παρουσιάζονται οι εφαρμογές τους στη βιομηχανία. Στο 5ο κεφάλαιο, «Αυτόνομο υβριδικό υπό μελέτη σύστημα», γίνεται μια εισαγωγή στα υβριδικά συστήματα παραγωγής ενέργειας και στη συνέχεια ακολουθεί μια πιο λεπτομερής περιγραφή στα κύρια στοιχεία του συστήματος (γεννήτρια υδρογόνου, κυψέλη καυσίμου, αντίσταση φορτίου, φιάλες αποθήκευσης υδρογόνου και εναλλάκτης θερμότητας) που χρησιμοποιήθηκαν για τις ανάγκες της εργασίας. Παρακάτω περιγράφεται συνοπτικά η αρχή λειτουργίας ενός τέτοιου υβριδικού συστήματος. Εάν τα φωτοβολταϊκά και η ανεμογεννήτρια παράγουν αρκετή ισχύ, το σύστημα υποστηρίζεται εξολοκλήρου από αυτά. Στην περίπτωση που η ισχύς εξόδου τους ξεπερνάει την επιθυμητή, η πλεονάζουσα ισχύς μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή Υδρογόνου, το οποίο μπορεί να αποθηκευτεί και να χρησιμοποιηθεί όταν υπάρξει ανάγκη, στις κυψελίδες καυσίμου. Σε περίπτωση χαμηλού ανέμου και ηλιοφάνειας, ένα μέρος της ισχύος μπορεί να συμπληρωθεί από την ενέργεια που προέρχεται από τις κυψελίδες καυσίμου. Προφανώς, σε τέτοια υβριδικά συστήματα ανεμογεννητριών φωτοβολταϊκών - κυψελίδων καυσίμου, σαν αυτά που μελετώνται στην παρούσα εργασία, οι κυψελίδες καυσίμου λειτουργούν με μεταβλητό ρεύμα. Τέτοιες κυψελίδες καυσίμου, ακόμα δεν διατίθενται στο εμπόριο. Στο τελικό στάδιο της Διπλωματικής εργασίας και συγκεκριμένα στο 6ο κεφάλαιο, «Επεξεργασία πειραματικών μετρήσεων», υπάρχουν τα αποτελέσματα των μετρήσεων με σχηματικές απεικονίσεις και ερμηνεία των διαγραμμάτων που προέκυψαν από τις πειραματικές μετρήσεις, καθώς και τα τελικά συμπεράσματα που προκύπτουν. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων παρατηρήθηκε ότι το μεταλλικό υδρίδιο κατά την πλήρωση του με υδρογόνου αντιδρά εξώθερμα με συνέπεια να έχουμε αύξηση θερμοκρασίας στη φιάλη (μέγιστο 43 οC). Κατά την απελευθέρωση του υδρογόνου από τη φιάλη υπάρχει ενδόθερμη αντίδραση και ελάττωση της θερμοκρασίας της φιάλης (ελάχιστο -13.2 οC). Τα κυριότερα λοιπόν προβλήματα του συστήματος που παρατηρήθηκαν είναι τα παρακάτω: α) μεγάλες αυξομειώσεις θερμοκρασίας είχαν αρνητικές συνέπειες στην απόδοση του συστήματος β) η μέγιστη και ελάχιστη θερμοκρασία λειτουργίας υπερβαίνουν τα όρια θερμοκρασιών ομαλής λειτουργίας. Συνεπώς κρίθηκε απαραίτητο (συστήνεται από τον κατασκευαστή) να κατασκευαστεί ένα σύστημα ψύξης (εναλλάκτης θερμότητας) των φιαλών, ώστε να έχουμε όσο το δυνατόν πιο σταθερό εύρος θερμοκρασιών λειτουργίας του συστήματος και να αποφευχθούν τα παραπάνω μειονεκτήματα. Το εύρος θερμοκρασιών που επιτεύχθηκε με το σύστημα ψύξης είναι: ελάχιστο 10.3 οC - μέγιστο 29 οC. Επιπλέον διαπιστώθηκε πως με ίδιες αρχικές συνθήκες (φορτίο, πίεση φιάλης, κλπ.) κατά την λειτουργία με τον εναλλάκτη, η κυψέλη καυσίμου παρήγαγε την ίδια ισχύ άλλα για περισσότερη ώρα. Αυτό δεν σημαίνει πως έχουμε μεγαλύτερη ποσότητα υδρογόνου στην φιάλη, άλλα σταθεροποιώντας την θερμοκρασία, επιτυγχάνεται μια πιο ομαλή λειτουργία του συστήματος και κυρίως πιο σταθερή παροχή υδρογόνου στην κυψέλη καυσίμου, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η απόδοση της. Με αυτό τον τρόπο βελτιώνεται η ταχύτητα απορρόφησης άλλα όχι και η ποσότητα του υδρογόνου που απορροφάται.