Prąd z wodoru
W Wenecji pracuje pierwsza przemysłowa elektrownia na wodór
Wykorzystanie wodoru jako nośnika energii jest od dawna liczącą się alternatywą dla istniejącego modelu gospodarki energetycznej. Uważa się, że wodór jako uniwersalne paliwo może zaspokoić wszystkie potrzeby ludzkości w zakresie energii elektrycznej, cieplnej i mechanicznej. Ten czysty i łatwo dostępny nośnik nadaje się do stosowania w istniejących technologiach energetycznych takich jak ogniwa paliwowe, silniki tłokowe i turbiny gazowe. Stworzenie systemu energetycznego opartego na wodorze wymaga infrastruktury technicznej porównywalnej z układami i urządzeniami przeznaczonymi dla gazu ziemnego (rurociągi, zbiorniki, sprężarkownie itp.). Zgromadzone doświadczenia eksploatacji systemów gazu ziemnego mogą stać się swoistym pomostem na drodze do ewentualnej budowy powszechnej „wodorowej" gospodarki przyszłości.
Za główne przesłanki użycia wodoru jako podstawowego nośnika energii uważa się następujące fakty:
- wodór stanowi odnawialne i nieograniczone źródło energii
- można go pozyskiwać z wielu źródeł takich jak paliwa organiczne, biomasa i woda
- produkty jego energetycznej konwersji są (poza nielicznymi wyjątkami) bezpieczne i nieszkodliwe dla środowiska naturalnego i zdrowia ludzkiego.
Wobec mnogości czynników politycznych, ekonomicznych i technicznych trudno jest bliżej określić czasowy harmonogram tak złożonego procesu. Wielu ekspertów uważa jednak, że transformacja ta już się rozpoczęła, o czym ma świadczyć stały rozwój technologii wytwarzania samego wodoru jak i urządzeń do jego utylizacji (zwłaszcza ogniw paliwowych). Zagrożenie terroryzmem dostarczyło w USA dodatkowego argumentu za większym zaangażowaniem w plany budowy gospodarki nowego typu.
Znaczące osiągnięcia odnotowano w wielu krajach w zakresie doskonalenia źródeł czystej energii, jakimi są ogniwa paliwowe przystosowane do spalania nie tylko gazu ziemnego, metanolu czy biogazów lecz również i wodoru. Niewielkie ogniwa o mocy 1-10 kW są przeznaczone dla wytwarzania ciepła i elektryczności w gospodarstwach domowych, zaś największe dostarczają mocy rzędu kilkuset kilowatów do sieci elektrycznej. Oprócz ogniw paliwowych naukowcy i konstruktorzy na całym świecie pracują nad wdrożeniem dalszych rodzajów źródeł czystej energii opartych na wodorze. Firma Ballard Power Systems wraz z Ford Power Products wprowadziły na rynek pierwszy agregat prądotwórczy napędzany przez standardowy silnik wewnętrznego spalania o pojemności 6.8 l. Model o nazwie Ecostar dostarcza mocy 114 kVA przy napięciu w zakresie 120 V do 480 V i częstotliwości 60 Hz. Podobne źródła elektryczne małej mocy dostarczają obecnie także inne firmy amerykańskie i azjatyckie. Dla przykładu chiński producent Shandong oferuje prądnicę o mocy maks. 5 kW napędzaną silnikiem spalającym czysty wodór. Generator dostarcza napięcia 110 lub 220 V do zainstalowanych na obudowie gniazd wtykowych. Jednocylindrowy silnik o znamionowej prędkości 1900 obr./min, chłodzeniu wodno-parowym jest zasilany wodorem o ciśnieniu co najmniej 6 bar. Masa agregatu wynosi 398 kg.
Z kolei firma Hydrogen Engine Center Inc., pionier produkcji „wodorowych" agregatów prądotwórczych dla energetyki rozproszonej oraz indywidualnych użytkowników, dostarcza źródła o dwóch mocach znamionowych: 50/60 kW i 208/250 kW, 50/60 Hz. Ich konstrukcja umożliwia równoległe łączenie tych prądnic w celu zwiększenia wymaganej mocy elektrycznej. Urządzenia te znajdą zastosowanie w rozmaitych układach konwersji wodoru na energię elektryczną. Wdrażanie podobnych agregatów zwiększy zapotrzebowanie odbiorców na wodór i niewątpliwie przyspieszy rozwój infrastruktury technicznej gospodarki opartej na tym paliwie.
Mimo licznych osiągnięć dotychczas energetyka zawodowa dużych mocy skutecznie opierała się stosowaniu nowego nośnika. Przełom nastąpił w ostatnich latach dzięki zwiększonym nakładom na rozwój technologii utylizacji wodoru. Europejski projekt rozwoju środowiska i innowacji, znany pod nazwą Hydrogen Park, uzyskał finansowanie 7.4 mld EUR; część tych środków - 50 milionów - wykorzystano do budowy pierwszej w świecie elektrowni opalanej wodorem. 12 lipca 2010 r. w Fusina koło Wenecji nastąpiło uruchomienie innowacyjnej elektrowni obejmującej turbinę „wodorową" i odzysk ciepła z jej produktów spalania w kotle parowym. Obiekt ten stawia istniejącą elektrownię węglową w Fusina i jej właściciela Enel w pozycji światowego lidera wdrażania technologii utylizacji wodoru w energetyce dużych mocy. Elektrownia ta jest zresztą prekursorem postępu technicznego we włoskiej energetyce. Tutaj w 1997 r. uruchomiono pierwszą w tym kraju instalację odsiarczania i odazotowania spalin. Dwa lata później wprowadzono tu filtry rękawowe do wychwytywania najdrobniejszych pyłów. W Fusina wreszcie rozwiązano palący problem na Półwyspie Apenińskim czyli zagospodarowanie odpadów komunalnych. Obecnie w kotłach tej elektrowni spala się wraz z węglem 70 000 ton specjalnego paliwa uzyskiwanego ze śmieci wytwarzanych przez 300 000 mieszkańców m.in. pobliskiej Wenecji.
Prace nad realizacją projektu Fusina rozpoczęto w 2004 r. Przedsięwzięcie obejmowało opracowanie dokumentacji, budowę instalacji i jej uruchomienie. Głównym celem zamierzenia było opracowanie i sprawdzenie w działaniu przemysłowym nowej konstrukcji palnika wodorowego o niskiej emisji tlenków azotu (poniżej 100 mg/Nm3). W pierwszym etapie dokonano modyfikacji komory spalania turbiny gazowej typu GE10 w celu dostosowania jej do nowego paliwa czyli czystego wodoru. Zwiększenie dopływu powietrza pierwotnego przy zachowaniu stosowania pary przyniosło obniżenie emisji NOx po zastąpieniu gazu ziemnego wodorem. W elektrowni Fusina badana jest praca turbiny spalającej mieszaniny wodoru i powietrza, zwłaszcza pod kątem zużycia łopatek i komory spalania. Elektrownia Fusina składa się z turbiny typu GE10-1 spalającej wodór wytwarzany jako produkt uboczny w pobliskich zakładach chemicznych Marghera. Gaz ten jest dostarczany rurociągiem o długości 2.5 km pod ciśnieniem 27 bar. Czystość wodoru wynosi co najmniej 96%. Turbina posiada prostą konstrukcję o pionowej komorze spalania. Spaliny wylotowe z turbiny są kierowane do odzysknicowego kotła parowego. Znaczna ilość ciepła jest dodatkowo odzyskiwana ze spalin dzięki kondensacji zawartej w nich wilgoci. Kondensat po oczyszczeniu zostaje wprowadzony do obiegu wodnego przyległego bloku parowego 320 MW. Ta oryginalna współpraca z sąsiadującym blokiem energetycznym pozwala na zwiększenie jego mocy o 4 MWe. Zatem wodorowy blok w Fusina w istocie dostarcza łącznie 16 MW mocy: 12 z własnej turbiny i 4 z przyrostu mocy bloku parowego. Integracja instalacji wodorowej z blokiem parowym pozwoliła podnieść jego sprawność do 42%. Umożliwia to obniżenie zużycia węgla o 1.4 t/h, a w konsekwencji emisji CO2 z tego bloku o 3.4 t/h. Spalanie wodoru w ilości 1.3 t/h przynosi 60 mln kWh energii elektrycznej rocznie, co pokrywa potrzeby 20 000 gospodarstw domowych. Jednocześnie unika się emisji 17 000 ton dwutlenku węgla.
Dotychczasowa eksploatacja instalacji potwierdziła wyniki wcześniejszych prób zmodyfikowanej turbiny gazowej. Zastosowane metody redukcji emisji NOx sprowadziły jak na razie wartość tego wskaźnika znacznie poniżej 400 mg/Nm3. Jest to wyróżniająca zaleta tej pierwszej elektrowni wodorowej. Dostępne obecnie technologie spalania wodoru nie dają takiej redukcji z powodu zbyt wysokiej temperatury płomienia. W przypadku wodoru jest ona wyższa o około 150 st. C od temperatury spalania gazu ziemnego. Nadmierna wartość tego parametru powoduje w tradycyjnych kotłach wysoką emisję tlenków azotu, przeciętnie trzykrotnie wyższą niż przy spalaniu gazu ziemnego, co stanowiło do tej pory istotną przeszkodę w wykorzystaniu wodoru w elektrowniach zawodowych.
źródło: http://gigawat.info
