9 o ΚΕΦΑΛΑΙΟ: Άλλες Τεχνολογίες Παραγωγής Ηλεκτρικής Ισχύος

Transcript

1 9 o ΚΕΦΑΛΑΙΟ: Άλλες Τεχνολογίες Παραγωγής Ηλεκτρικής Ισχύος 9.1 Ντιζελοηλεκτρικοί Σταθμοί Υπό ορισμένες συνθήκες και για μικρή ισχύ εγκαθίστανται αυτόνομοι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος που χρησιμοποιούν Μηχανές Εσωτερικής Καύσης (ΜΕΚ) και συγκεκριμένα μηχανές Diesel. Τέτοιοι σταθμοί εγκαθίστανται κυρίως σε απομακρυσμένα νησιά με αυτόνομα δίκτυα όπου η ζήτηση είναι μικρή, η εγκατάσταση ΑΗΣ με μικρή ισχύ είναι ασύμφορη και δεν υπάρχει οικονομικά συμφέρουσα δυνατότητα διασύνδεσης με το ηπειρωτικό δίκτυο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Οι ντιζελοηλεκτρικοί σταθμοί χρησιμοποιούν εμβολοφόρους (παλινδρομικές μηχανές) κινητήρες Diesel που περιστρέφουν γεννήτριες, ενώ χρησιμοποιούν για καύσιμο διάφορους τύπους πετρελαίου, ανάλογα με το μέγεθός τους. Στις μηχανές Diesel, η θερμότητα εμφανίζεται ως ενδιάμεση ενεργειακή μορφή και για το λόγο αυτό και οι ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες που βασίζονται σε αυτόν τον τύπο των μηχανών εντάσσονται στην κατηγορία των θερμοηλεκτρικών μαζί με τους ατμοηλεκτρικούς. Τα πλεονεκτήματα των μηχανών Diesel είναι: Σχετικά χαμηλό αρχικό κόστος κτήσης σε σχέση με αεριοστρόβιλους και ατμοστρόβιλους, Τίθενται σε λειτουργία εύκολα και φορτίζονται αμέσως. Δεν απαιτούν πολύπλοκες εγκαταστάσεις. Έχουν υψηλότερο βαθμό απόδοσης για μικρή και μέση ισχύ. Οι μηχανές γενικά έχουν ικανοποιητικό βαθμό απόδοσης (50%), όταν λειτουργούν στα 75-80% της ονομαστικής τους ισχύος, ενώ για λειτουργία κάτω του 50% της ονομαστικής τους ισχύος ο βαθμός απόδοσής τους πέφτει σημαντικά. Χρειάζονται λιγότερο χώρο για τις εγκαταστάσεις. Δεν απαιτούν πολύ προσωπικό. Πολύ χαμηλή εκπομπή CO, (<10% της εκπεμπόμενης ποσότητας CO από αντίστοιχους βενζινοκινητήρες), Τα μειονεκτήματα των μηχανών Diesel είναι: Μεγαλύτερο βάρος και κόστος κτήσης από τους βενζινοκινητήρες, Δύσκολη εκκίνηση σε χαμηλές θερμοκρασίες, Περιστασιακή εκπομπή καπνού και σωματιδίων καπνού (soot), ειδικό όταν δεν συντηρούνται επαρκώς, Υψηλότερη εκπομπή ΝΟ x. Υψηλός θόρυβος λειτουργίας, Παρουσιάζουν συχνά βλάβες. Χρειάζονται συχνά συντήρηση (έλεγχος θερμοκρασίας. πίεσης λαδιού λίπανσης, νερού ψύξης κλπ.) και απαιτούν εξειδικευμένο προσωπικό. Επειδή η μονάδα χρειάζεται συχνά συντήρηση αλλά και επειδή παρουσιάζονται συχνά βλάβες, θα πρέπει να έχει προβλεφθεί σημαντικός αριθμός εφεδρικών μηχανών. Η παραγόμενη τάση από τη λειτουργία τέτοιων σταθμών είναι χαμηλή, τριφασική, με ουδέτερο, 220/380V, 50Hz. Οι γεννήτριες παραγωγής του ρεύματος είναι σύγχρονες και το ρεύμα της διέγερσής τους είναι συνεχές. Επειδή το ρεύμα που παράγεται είναι χαμηλής τάσης, δεν απαιτούνται μετασχηματιστές ούτε μεγάλοι αυτόματοι διακόπτες. Στον ιδανικό αυτό κύκλο στηρίζουν τη λειτουργία τους οι πετρελαιοκινητήρες (Diesel engines). Ο κύκλος Diesel πραγματοποιείται σε μία αδιαβατική διάταξη κυλίνδρου - εμβόλου που διαθέτει τουλάχιστο μία βαλβίδα εισαγωγής και μία εξαγωγής αλλά όχι και αναφλεκτήρα (μπουζί, spark). Η ανάφλεξη είναι αυτοπυροδοτούμενη, δηλαδή ο αέρας συμπιέζεται σε σχετικά υψηλή πίεση και μετά γίνεται έγχυση σε αυτόν πετρελαίου, το οποίο λόγω της πολύ υψηλής θερμοκρασίας του συμπιεσμένου αέρα και του σχετικά χαμηλού ορίου αυτανάφλεξης του πετρελαίου, αναφλέγεται. Ο θεωρητικός θερμοδυναμικός κύκλος Diesel, φαίνεται στο Σχήμα 9.1. Σχήμα 9.1: Ιδανικός κύκλος Diesel σε P-υ και T- s διάγραμμα

2 Ο κύκλος αποτελείται από τις εξής τέσσερις αντιστρεπτές θερμοδυναμικές μεταβολές: 1-2 Αδιαβατική (ή ισεντροπική) συμπίεση Επειδή η συμπίεση είναι αδιαβατική ισχύει: q 12 =0 (9-2) Για κάθε μεταβολή ισχύει: ΔU = nc v(t 2-T 1) διαιρούμε με m =1 Δu = c v(t 2-T 1) (9-3) Εάν διαιρέσουμε τα μεγέθη του 1 ου Νόμου της Θερμοδυναμικής για κλειστά συστήματα με τη μάζα (m), προκύπτει: (1-37) q 12 w 12 = Δu w 12 = -c v(t 2-T 1) < 0 (J/kg) (9-4) 2-3 Ισόβαρής θέρμανση (και ταυτόχρονα εκτόνωση) Τονίζεται ότι κατά τη διεργασία αυτή γίνεται εισαγωγή θερμότητας στο σύστημα ενώ το ταυτόχρονα το έμβολο κινείται -οπότε παράγεται έργο- ώστε η πίεση να παραμένει σταθερή. Κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει στον κύκλο Otto, όπου στην αντίστοιχη διεργασία έχουμε μόνο εισαγωγή θερμότητας στο σύστημα. Επειδή πρόκειται για κλειστό σύστημα το ολικό έργο ισούται στην ουσία με το έργο ογκομεταβολής, [Παράγραφοι και ]. Αφού λοιπόν κατά τη μεταβολή αυτή η πίεση παραμένει σταθερή θα ισχύει: w 23 = P(υ 3 υ 2) (J/kg) (9-5) και q 23 = c p(t 3-T 2) >0 (J/kg) (9-6) 3-4 Αδιαβατική (ή ισεντροπική) εκτόνωση Επειδή η εκτόνωση είναι αδιαβατική ισχύει: q 34 = 0 (9-7) Για κάθε μεταβολή ισχύει: ΔU = nc v(t 4-T 3) διαιρούμε με m = 1 Δu = c v(t 4-T 3) (9-8) Εάν διαιρέσουμε τα μεγέθη του 1 ου Νόμου της Θερμοδυναμικής για κλειστά συστήματα με τη μάζα (m), προκύπτει: (1-37) q 34 w 34 = Δu w 34 = -c v(t 4-T 3) > 0 (J/kg) (9-9) 4-1 Ισόχωρη ψύξη Αφού ο όγκος παραμένει σταθερός θα ισχύει: w 41 = 0 (9-10) Για κάθε μεταβολή ισχύει: ΔU = nc v(t 1-T 4) διαιρούμε με m = 1 Δu = c v(t 1-T 4) (9-11) Εάν διαιρέσουμε τα μεγέθη του 1 ου Νόμου της Θερμοδυναμικής για κλειστά συστήματα με τη μάζα (m), προκύπτει: (1-37) q 41 w 41 = u 1 u 4 q 41 = c v(t 1-T 4) < 0 (J/kg) (9-12) Το συνολικό έργο (ογκομεταβολής) δίνεται από αλγεβρικό άθροισμα των έργων των επιμέρους μεταβολών: w total = UW= w 12 +w 23 +w 34 +w 41 w total = -c v(t 2-T 1)+P(υ 3 υ 2)-c v(t 4-T 3) (9-13) (9-4), (9-5), (9-9), (9-10) Επειδή η σχέση (9-13) δεν είναι ιδιαίτερα εύχρηστη για τον προσδιορισμό του βαθμού απόδοσης γι αυτό επιλέγουμε ένα δεύτερο τρόπο προσέγγισης, δηλαδή εφαρμόζουμε τον 1 ο θερμοδυναμικό νόμο για κλειστά συστήματα για όλη την κυκλική μεταβολή. Τότε du = 0. (1-37) q total w total = 0 w total = q total w total = q 23 + q 41 (9-14) Στον κύκλο Diesel προσδίδεται θερμότητα στο σύστημα q 23 και αποβάλλεται q 41. Επομένως, σύμφωνα με w total τον ορισμό του συντελεστή θερμικής απόδοσης: (1-76) η th = (9-15) q Με αντικατάσταση των (9-6), (9-12) και της (9-14) στην (9-15) προκύπτει: Ορίζουμε το λόγο ανακοπής (cutoff ratio, r c) ως λόγο όγκων (και όχι πιέσεων): Από τη Θερμοδυναμική γνωρίζουμε ότι στην ισοβαρή θέρμανση 2-3 ισχύει: 23 T4 T1 η th = 1 (9-16) γ V V 3 2 ( Τ Τ ) 3 V3 υ3 r c = = (9-17) V2 υ2 T3 υ3 T3 = = (9-18) T υ T Οπότε, η σχέση (9-17) με τη βοήθεια της (9-18), γράφεται: T3 r c = T2 (9-19) Με τη βοήθεια του παραπάνω ορισμού και συνδυάζοντας τις σχέσεις που ισχύουν για τις αδιαβατικές μεταβολές 1-2 και 3-4 η σχέση (9-16) μπορεί να γραφεί και ως εξής: γ 1 r ( ) c 1 η th, Diesel = 1 γ 1 r γ rc 1 (9-20) Διερεύνηση: 1. Συγκρίνοντας τη σχέση (9-20) με την αντίστοιχη σχέση της απόδοσης του κύκλου Otto: 1 η th,οttο = 1 γ-1 r (9-21)

3 V1 υ1 όπου r = = (9-22) είναι ο λόγος συμπίεσης, παρατηρούμε ότι διαφέρουν κατά τον όρο που βρίσκεται V2 υ2 μέσα στην αγκύλη. Ο όρος αυτός είναι πάντοτε μεγαλύτερος της μονάδας, επομένως συμπεραίνουμε ότι για τον ίδιο λόγο συμπίεσης (r), ισχύει πάντα: η > η (9-23) th,otto th,diesel 2. Όσο αυξάνεται ο λόγος αποκοπής r c τόσο μειώνεται η απόδοση του κύκλου Diesel (Σχήμα 9.2) και μάλιστα όταν r c=1 η ποσότητα εντός των αγκυλών γίνεται ίση με τη μονάδα, οπότε οι αποδόσεις των δύο κύκλων γίνονται ίσες. 3. Από την άλλη, στη μηχανή Diesel ο λόγος συμπίεσης πρέπει να είναι μεγαλύτερος σε σχέση με αυτόν του Otto, προκειμένου να υπάρχει αυτο-ανάφλεξη. Επίσης, επειδή οι μηχανές Diesel λειτουργούν σε λιγότερες στροφές ανά λεπτό (rpm), δίνεται περισσότερος χρόνος στην καύση ώστε να είναι πληρέστερη και να γίνει μεγαλύτερη εκμετάλλευση της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου. Τελικό αποτέλεσμα όλων αυτών είναι οι μηχανές Diesel να παρουσιάζουν στην πράξη καλύτερη θερμική απόδοση από τις μηχανές Otto, (η th,diessel = 36-41%). Σχήμα 9.2: Απόδοση του κύκλου Diesel συναρτήσει του λόγου συμπίεσης r, με παράμετρο το λόγο r c 9.2 Φωτοβολταϊκοί Σταθμοί Η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος με δύο τρόπους: Με θερμικά συστήματα συλλογής, στα οποία η ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται για την ατμοποίηση νερού. Στη συνέχεια ο ατμός που δημιουργείται θέτει σε κίνηση έναν ατμοστρόβιλο. Με φωτοβολταϊκά (Φ/Β) κελιά ή στοιχεία (photovoltaic cell), τα οποία είναι συσσωρευτές ξηράς φόρτισης. Αυτά, όταν εκτεθούν στο ηλιακό φως, εμφανίζουν διαφορά δυναμικού. Όπως θα δούμε αναλυτικότερα στην Παράγραφο 9.2.6, τα φωτοβολταϊκά κελιά ή στοιχεία αποτελούνται από δύο πολύ λεπτά στρώματα ημιαγωγού, που είναι συνήθως το στοιχείο πυρίτιο. Τα στρώματα αυτά αναμειγνύονται και με άλλα στοιχεία, ώστε το ένα στρώμα αποκτά πλεόνασμα ηλεκτρονίων (δηλαδή αρνητική ηλεκτρική πόλωση) και το άλλο έλλειμμα ηλεκτρονίων (δηλαδή θετική πόλωση). Τα δύο στρώματα του κελιού συνδέονται με ένα εξωτερικό κύκλωμα. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία φτάσει με τη μορφή φωτονίων στην επιφάνεια των δύο στρωμάτων, έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη διαφοράς δυναμικού στα άκρα του φωτοβολταϊκού κελιού. Έτσι, δημιουργείται ένα ρεύμα που μέσω του εξωτερικού κυκλώματος επιστρέφει στην άλλη πλευρά της ένωσης. Εάν τέτοια κελιά τοποθετηθούν σε σειρά, τότε είναι δυνατό να έχουμε την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος στην τάση την οποία επιθυμούμε. Πρέπει να σημειωθεί ότι ένα στρογγυλό κελί διαμέτρου 100mm κατά τη διάρκεια του μεσημεριού, αποδίδει ισχύ 1W με τάση μικρότερη του 0,5V. Συνήθως τα κύτταρα κυκλοφορούν σε σφραγισμένα αυτόνομα modules και συνδυάζονται με τη φόρτιση συσσωρευτών 6 ή 12V.Τα αυτόνομα αυτά συστήματα συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα ή και σε μικτή συνδεσμολογία, ανάλογα με τις ανάγκες της τάσης και της ισχύος. Η άμεση παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος από τη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας με τη χρησιμοποίηση φωτοβολταικών συστημάτων παρουσιάζει πολλά σημαντικά περιβαλλοντικά και άλλα πλεονεκτήματα, έχει όμως το μειονέκτημα του υψηλού κόστους εγκατάστασης σε σχέση με άλλες συμβατικές μεθόδους ηλεκτροπαραγωγής. Η μείωση του κόστους επιδιώκεται με διαφόρους μεθόδους και κυρίως με την αύξηση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων, με την αξιοποίηση φτηνών υλικών για την κατασκευή των κελιών και τη συγκέντρωση μεγαλύτερων ποσοτήτων ηλιακής ακτινοβολίας μέσω ειδικών ηλιακών συλλεκτών. Η τελευταία μέθοδος έχει ήδη βρει αξιόλογες πρακτικές εφαρμογές και στηρίζεται στη χρησιμοποίηση οπτικών διατάξεων (κάτοπτρα, φακοί κ.λπ.), οι οποίες συμπυκνώνουν την ηλιακή ακτινοβολία και την εστιάζουν πάνω στα φωτοβολταϊκά κελιά. Δηλαδή, αντικαθιστούν τη μεγάλη επιφάνεια των δαπανηρών φωτοβολταϊκών στοιχείων με συγκεντρωτικές επιφάνειες οπτικών διατάξεων χαμηλού κόστους. Στα συγκεντρωτικά συστήματα μπορεί να

4 εστιασθεί και να αξιοποιηθεί μόνον η άμεση μορφή της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ η διάχυτη ακτινοβολία διαφεύγει. Επίσης οι συλλέκτες των συγκεντρωτικών συστημάτων πρέπει να έχουν την ικανότητα συνεχούς προσανατολισμού, ώστε να εξασφαλίζεται η εστίαση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας πάνω στα φωτοβολταϊκά κύτταρα. Συμπερασματικά, για τη μελέτη και αξιολόγηση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι αναγκαίος ο υπολογισμός της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας στις διάφορες τοποθεσίες και σε διάφορες χρονικές περιόδους Ηλιακό Δυναμικό Ο Ήλιος αποτελεί τη βασική πηγή ενέργειας στη Γη, καθώς είναι ένας τεράστιος αντιδραστήρας σύντηξης (συνεχούς δράσης), όπου πραγματοποιούνται συντήξεις ελαφρών πυρήνων σε βαρύτερους με σημαντικότερη τη μετατροπή του υδρογόνου σε ήλιο με ρυθμό 4 εκατομμυρίων τόνων το δευτερόλεπτο. Η παραγόμενη ενέργεια ακτινοβολείται στο διάστημα ενώ η θερμοκρασία επιφάνειας του ηλιακού δίσκου εκτιμάται περί τους T sun=5,774κ. Σε αυτή την υψηλή θερμοκρασία ο Ήλιος θεωρείται ότι ακτινοβολεί ως μέλαν σώμα. Η φασματική κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας δίνεται από το νόμο του Plank, ως συνάρτηση του μήκους κύματος: 2 2h pπc 1 u( λ) = (9-24) 5 λ h pc λ exp 1 kt sun όπου u η φασματική ένταση εκπομπής του Ήλιου (σε W/m 2. μm), λ το μήκος κύματος (σε μm), T sun = 5,774Κ η απόλυτη θερμοκρασία της επιφάνειας του Ήλιου, h p=6.625x10 34 W η σταθερά του Plank, k= x10-23 J/K η σταθερά του Boltzmann και c=2.998x10 8 m/s η ταχύτητα του φωτός στο κενό. Στο εξωτερικό της Γήινης ατμόσφαιρας η κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας είναι: 2 4πDsun 4 u o ( λ) = u( λ) (9-25) 2 4πAU όπου D sun η διάμετρος του Ήλιου (ίση περίπου με 1.39x10 6 km) και ΑU η μέση απόσταση Γης-Ήλιου (αστρονομική μονάδα), ίση με 1.5x10 8 km. Η φασματική κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας εντός της ατμόσφαιρας μεταβάλλεται με τις καιρικές συνθήκες, τη θέση του Ήλιου σε σχέση με την επιφάνεια της Γης, την ώρα της ημέρας και την περιοχή, (Σχήμα 9.3). Σχήμα 9.3: Η ενεργειακή κατανομή της έντασης ακτινοβολίας για οριζόντιο επίπεδο Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της ηλιακής ενέργειας παρουσιάζονται στον Πίνακα 9.1. Πίνακας 9.1: Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα ηλιακής ενέργειας Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Ανεξάντλητη Μεγάλη χρονική διακύμανση (ημέρα-νύχτα, Χειμώνας-Καλοκαίρι) Άφθονη Γεωγραφική διακύμανση. Η ηλιακή ακτινοβολία στον ισημερινό είναι (ίση με 10,000 φορές της συνολικής τριπλάσια απ' ότι στη Βόρεια Ευρώπη. Επίσης, στον ισημερινό η ποσότητα χρήσης ενέργειας στον πλανήτη) της ηλιακής ακτινοβολίας το Καλοκαίρι είναι διπλάσια από το Χειμώνα ενώ στη Βόρεια Ευρώπη έως και 10 φορές περισσότερη Χαμηλού λειτουργικού κόστους κατά την εκμετάλλευση Διαθέσιμη σε μεγάλο μέρος της Γης. Περιβαλλοντικά καθαρή «Αραιή» μορφή ενέργειας. Στην επιφάνεια της Γης η ένταση της ισχύος της ακτινοβολίας έχει ως μέγιστο το 1kW/m 2 ενώ σε ένα τυπικό ατμοπαραγωγό η ένταση ισχύος είναι 200kW/m 2 )

5 Σε ετήσια βάση ένα ποσοστό περίπου 20% της ηλιακής ακτινοβολίας που εισέρχεται στην ατμόσφαιρα της Γης απορροφάται από την ατμόσφαιρα και τα σύννεφα, ένα ποσοστό 30% ανακλάται πίσω στο διάστημα, ενώ μόλις κοντά στο 50% φτάνει στο έδαφος με τη μορφή άμεσης και διάχυτης ακτινοβολίας. Η άμεση ηλιακή ακτινοβολία δεν έχει υποστεί κάποιου είδους ανάκλαση και βασικό της χαρακτηριστικό είναι πως μπορεί να κατευθυνθεί και να συγκεντρωθεί κάπου. Η διάχυτη ακτινοβολία είναι το αποτέλεσμα της σκέδασής της ηλιακής ακτινοβολίας στα μόρια της ατμόσφαιράς, των σύννεφων, της εν γένει υγρασίας και της σκόνης. Η εκτίμηση του διαθέσιμου ηλιακού δυναμικού είναι απαραίτητη στο σχεδιασμό και την ανάλυση των ηλιακών συστημάτων. Στον Πίνακα 9.2 δίνονται τα μεγέθη με τα αντίστοιχα σύμβολά τους που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή της ηλιακής ακτινοβολίας. Πίνακας 9.2: Σύμβολα ηλιακής τχνικής Μέγεθος Σύμβολο Μονάδες στιγμιαία ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας G W (Watt) ηλιακή ακτινοβολία σε διάρκεια μιας ώρας (ωριαία) Ι J (Joule) ημερήσια (ή μεγαλύτερης χρονικής κλίμακας) ηλιακή ακτινοβολία. Η J (Joule) Αναφορά σε Δείκτες* ακτινοβολία εκτός ατμόσφαιρας ο άμεση ηλιακή ακτινοβολία b διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία d ακτινοβολία σε κεκλιμένη επιφάνεια, ως προς την οριζόντια Τ ακτινοβολία κάθετη στην επιφάνεια που προσπίπτει n *Για παράδειγμα, το σύμβολο HTb αναφέρεται στην άμεση ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε μια κεκλιμένη επιφάνεια σε μια ημέρα. Όταν δεν εμφανίζονται οι δείκτες Τ ή n, τότε τα μεγέθη εννοείται ότι αναφέρονται σε οριζόντια επιφάνεια Συνέπειες της Περιστροφή της Γης γύρω από τον Εαυτό της και τον Ήλιο Η Γη περιστρέφεται με σταθερή γωνιακή ταχύτητα γύρω από τον άξονά της σε 24 ώρες και γύρω από τον Ήλιο σε 365 ημέρες. Η περιστροφή γύρω από τον Ήλιο γίνεται με τον πολικό της άξονα σε κλίση ως προς το επίπεδο περιστροφής κατά ο. Στο βόρειο ημισφαίριο το χειμώνα ο βόρειος πόλος είναι απομακρυσμένος (λόγω κλίσης του άξονα περιστροφής) από τον Ήλιο και οι ακτίνες του Ήλιου προσπίπτουν με μεγαλύτερη κλίση, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα. Αντίθετα, το καλοκαίρι, η Γη βρίσκεται με το βόρειο πόλο στραμμένο προς τον Ήλιο οπότε οι ακτίνες του Ήλιου προσπίπτουν στο βόρειο ημισφαίριο πιο κάθετα και ο Ήλιος εμφανίζεται υψηλότερα στον ουρανό (Σχήμα 9.4). Σχήμα 9.4: ΗΑ = περιήλιο = km, ΗΓ = αφήλιο = km, Εκκεντρότητα e = OH/OA = Λόγω της μικρής εκκεντρότητας o μεγάλος ημιάξονας είναι περίπου ίσος με το μικρό ημιάξονα και η ελλειπτική τροχιά πλησιάζει τη μορφή κύκλου Επειδή ο ήλιος βρίσκεται στο μεγάλο ημιάξονα της τροχιάς, στο σημείο Η και όχι στο κέντρο Ο, η απόσταση ήλιου-γης μεταβάλλεται με αποτέλεσμα να μεταβάλλεται και η ένταση της ακτινοβολίας που φθάνει στη Γη (εκτός ατμόσφαιρας) μεταβάλλεται χρονικά, σύμφωνα με τη σχέση: o 360 n G o = G sc cos (9-26) 365 όπου n ο αριθμός της ημέρας δηλαδή με n=1 για την 1 η Ιανουαρίου, κ.λπ.

6 Η ηλιακή σταθερά (G sc=1,353w/m 2 ) εκφράζει την ενέργεια ανά μονάδα χρόνου (ένταση ηλιακής ακτινοβολίας) που δέχεται από τον Ήλιο μια μοναδιαία επιφάνεια εκτός ατμόσφαιρας, κάθετη στη διεύθυνση διάδοσης της ακτινοβολίας, όταν η απόσταση Γης-Ήλιου είναι ίση με τη μέση τιμή της. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας έξω από την ατμόσφαιρα της Γης δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται λόγω διακύμανσης της ηλιακής δραστηριότητας (±2%, δε λαμβάνεται υπόψη) και μεταβολής της απόστασης Γης-Ήλιου (±3.5%), επειδή η τροχιά της Γης γύρων από τον Ήλιο είναι ελλειπτική. Λόγω της ελλειπτικής τροχιάς της, η Γη βρίσκεται πλησιέστερα στο Ήλιο στις 2 Ιανουαρίου (περιήλιο) και κατά Km μακρύτερα στις 2 Ιουλίου (αφήλιο). Έτσι εξηγείται γιατί γενικά το βόρειο ημισφαίριο έχει πιο ήπιους χειμώνες σε σχέση με το νότιο, ενώ τα αντίθετα καλοκαίρια είναι λιγότερο θερμά. Η αλλαγή των εποχών οφείλεται στη γωνία που σχηματίζει ο άξονας περιστροφής της Γης με την κάθετη στην ελλειπτική τροχιά. Αν και η γωνία είναι σταθερή, η περιστροφή της Γης γύρω από τον Ήλιο δημιουργεί μεταβολή στη γωνία που σχηματίζεται μεταξύ της ευθείας που ενώνει τα κέντρα Γης-Ήλιου με το ελλειπτικό επίπεδο του ισημερινού (Σχήμα 9.4). Η γωνία αυτή ονομάζεται ηλιακή απόκλιση, συμβολίζεται με δ και υπολογίζεται για κάθε ημέρα του έτους από τη σχέση: o o n δ = sin 360 (9-27) 365 Ένα σημείο στη Γήινη σφαίρα ορίζεται από το γεωγραφικό μήκος και πλάτος. Το γεωγραφικό μήκος (ψ) είναι η γωνία της θέσης του παρατηρητή σε σχέση με τον πρώτο μεσημβρινό που διέρχεται από το Greenwich ενώ το γεωγραφικό πλάτος (φ) είναι η γωνία θέσης του παρατηρητή σε σχέση με τον ισημερινό. Η θέση του Ήλιου στον ουράνιο θόλο αποτελούσε σημάδι για τη φαινόμενη ηλιακή ώρα της ημέρας και την εποχή του χρόνου. Τα ηλιακά ρολόγια αποτέλεσαν τα πρώτα όργανα για τη μέτρηση του χρόνου με έναν αντικειμενικό τρόπο και χρησιμοποιήθηκαν για πάρα πολλούς αιώνες. Βασικό μειονέκτημα τους ήταν πως η ηλιακή ώρα διέφερε από τόπο σε τόπο λόγω της διαφορετικής γεωγραφικής θέσης. Έτσι, καθώς οι εμπορικές συναλλαγές μεταξύ των διαφόρων περιοχών επεκτείνονταν, το πρόβλημα μεγάλωσε και η ανάγκη για κοινή ώρα ανάμεσα στις περιοχές, έγινε Φανερή. Με την εισαγωγή των μηχανικών ρολογιών ξεκίνησε η χρήση της μέσης ηλιακής ώρας αντί της φαινόμενης ηλιακής ώρας. Η μέση ηλιακή ώρα προκύπτει ρυθμίζοντας την ημέρα της ισημερίας ένα μηχανικό ρολόι κατά το ηλιακό μεσημέρι (είναι η χρονική στιγμή που ο ήλιος είναι στο ψηλότερο σημείο στον ουράνιο θόλο) να δείχνει 12 ακριβώς. Την επόμενη ημέρα κατά το φαινόμενο ηλιακό μεσημέρι, το μηχανικό ρολόι δεν θα δείχνει 12 αλλά θα έχει μια διαφορά. Αυτή η διαφορά οφείλεται στην ελλειπτική τροχιά της Γης γύρω από τον Ήλιο και στην κλίση του άξονα περιστροφής της και εξαρτάται από την ημέρα του έτους (δηλαδή από τη θέση της Γης σε σχέση με τον Ήλιο). Η διαφορά της ώρας ενός μηχανικού ρολογιού από την ώρα που δείχνει ένα ηλιακό ρολόι δίνεται για κάθε μέρα του έτους από τη λεγόμενη εξίσωση χρόνου. Η χρήση μηχανικών ρολογιών από όλους και η αντικατάσταση των ηλιακών ρολογιών στα κεντρικά σημεία της κάθε πόλης (π.χ. καμπαναριά) βοήθησε τελικά τους κατοίκους να συντονιστούν με τη μέση ηλιακή ώρα. Όμως η μέση ηλιακή ώρα εξαρτάται από τον τοπικό μεσημβρινό με αποτέλεσμα σιγά σιγά τα κράτη να ρυθμίζουν σε όλη την επικράτεια τους ώρα κοινού μεσημβρινού καθώς ανέκυπταν πρακτικά προβλήματα π.χ. στη λειτουργία των σιδηροδρόμων. Η έννοια των ζωνών ώρας (ή χρονικών ατράκτων) ήρθε στα μέσα του 19 ου αιώνα μαζί με την ανάπτυξη των διεθνών μεταφορών και των τηλεπικοινωνιών. Έτσι σε διεθνές επίπεδο, δημιουργήθηκαν 24 ζώνες ώρας οι οποίες κανονικά πρέπει να έχουν εύρος 15 ο γεωγραφικού μήκους (φυσικές ζώνες) αλλά συνήθως οι ζώνες ακολουθούν τα γεωγραφικά σύνορα της χώρας. Όλοι οι τόποι που περιέχονται μέσα στην ίδια ζώνη έχουν την ίδια ώρα, τη μέση ηλιακή ώρα δηλαδή που αντιστοιχεί στη μέση του μεσημβρινού της ζώνης. Για παράδειγμα ο κεντρικός μεσημβρινός (Local Standard Meridian-LSM) του Greenwich είναι σε 0 μοίρες και εκτείνεται σε γεωγραφικό πλάτος από 7.5 δυτικά έως 7.5 ανατολικά ενώ ο μεσημβρινός που δίνει την ώρα στη ζώνη της Ελλάδας εκτείνεται από 22.5 ανατολικά έως 37.5 ανατολικά με τον κεντρικό μεσημβρινό να είναι στις 30 μοίρες ανατολικά. Τα μεγαλύτερα κράτη, όπως οι Η.Π.Α., ο Καναδάς, η Ρωσία, κατανέμονται σε περισσότερες από μια ζώνες. Στην Ευρώπη υπάρχουν 3 διαφορετικές επίσημες ώρες Της Δυτικής Ευρώπης, με ώρα Greenwich, που συμβολίζεται με τα αρχικά G.M.T (Greenwich Mean Time) ή U.T.C. (Universal Time Coordinated). Της Κεντρικής Ευρώπης, που προηγείται κατά μία ώρα της ώρας της Δυτικής Ευρώπης και συμβολίζεται μα τα αρχικά (.Ε.Τ. (Central European Time). Της Ανατολικής Ευρώπης, που προηγείται κατά μία ώρα της ώρας της Κεντρικής Ευρώπης ή κατά δύο ώρες από εκείνη της Δυτικής Ευρώπης. Συμβολίζεται με τα αρχικά Ε.Ε.Τ. (East European Time). Φαινόμενος ηλιακός χρόνος ονομάζεται ο χρόνος που μετράται με βάση την κίνηση του Ήλιου στον ουρανό (όπως την καταγράφει παρατηρητής στην επιφάνεια της Γης). Η σχέση χρόνου δίνει τη διαφορά μεταξύ του φαινόμενου ηλιακού χρόνου και του μέσου ηλιακού χρόνου, σε λεπτά: o n - 81 o n - 81 o n - 81 ET = 9.87sin cos sin 360 (9-28)

7 Ηλιακό μεσημέρι είναι η χρονική στιγμή που ο Ήλιος τέμνει το μεσημβρινό του παρατηρητή. Ο ηλιακός χρόνος δεν συμπίπτει με τον τοπικό χρόνο, την ώρα δηλαδή που δείχνει το ρολόι. Η διαφορά του φαινόμενου ηλιακού χρόνου (ΑST) από τον τοπικό (t), σε λεπτά, δίνεται από τη σχέση: ET 4( LSM ψ) 180 > ψ > 0 AST t = (9-29) ET + 4( LSM ψ) 0 > ψ > 180 Η γωνιακή μετατόπιση (ω) του Ήλιου ανατολικά ή δυτικά του τοπικού μεσημβρινού λόγω της περιστροφής της Γης γύρω από τον άξονα της με ρυθμό 15 μοίρες την ώρα, θα είναι ίση με: o 360 ω = AST 12 : 00 (9-30) ( ) Θέση του Ήλιου στον Ουράνιο Θόλο Η θέση του Ήλιου στον ουράνιο θόλο μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση των γωνιών του ηλιακού ύψους θ sh και του ζενίθ ηλιακού αζιμούθιου γ s (Σχήμα 9.5Α). Οι γωνίες αυτές είναι συναρτήσεις του γεωγραφικού πλάτους φ, και της απόκλισης δ. Η τελευταία είναι συνάρτηση της ημερομηνίας και του Φαινόμενου ηλιακού χρόνου, εκφρασμένο σε όρους της ωριαίας γωνίας ω. Α Β Σχήμα 9.5. Α: Ηλιακή γεωμετρία Β. Γωνία πρόπτωσης Η πορεία που ακολουθεί ο Ήλιος στον ουρανό σε μια ημέρα του έτους ονομάζεται ηλιακή διαδρομή (Σχήμα 9.6). Η ηλιακή διαδρομή συνήθως χρησιμοποιείται για φωτορεαλιστικούς υπολογισμούς σκίασης σε οικίες και ενεργειακά συστήματα. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχουν οι μέρες του θερινού (συνήθως 21/6) και του χειμερινού ηλιοστασίου (συνήθως 21/12). Σχήμα 9.6: Ηλιακές τροχιές στον ουράνιο θόλο Γωνία ζενίθ είναι η γωνία που σχηματίζεται από την ηλιακή ακτίνα και την κάθετο στο επίπεδο του παρατηρητή (κορυφή του ουράνιου θόλου) είναι ίση με: -1 θ z = cos [ cos( φ) cos( δ) cos( ω) + sin( φ) sin( δ) ] (9-31) Ωριαία γωνία δύσης είναι η ωριαία γωνία δύσης του Ήλιου και υπολογίζεται από τη σχέση (9-31) για θ z=0-1 ω = cos tan φ tan δ (9-32) και ο χρόνος δύσης του ηλίου (σε ηλιακή ώρα), είναι: δηλαδή: [ ( ) ( )] s 1h t s = ωs (9-33) o 15 Ηλιακό ύψος είναι η γωνία που σχηματίζεται από την ηλιακή ακτίνα και τον ορίζοντα και είναι ίση με: π θsh = θ z (9-34) 2

8 Ηλιακό αζιμoύθιo είναι η γωνία μεταξύ της προβολής της ευθείας όρασης του Ήλιου στο οριζόντιο επίπεδο και της νότιας κατεύθυνσης και ορίζεται ως: sin θ sin φ sin δ ( sh ) ( ) ( ) cos( θsh ) cos( φ) ( θsh ) sin( φ) sin( δ) cos( θ ) cos( φ) -1 cos 12 : 00 > AST > 24 : 00 γ s = (9-35) -1 sin - cos 10 : 00 > AST > 12 : 00 sh Aζιμoύθιo επιφανείας (προσανατολισμός) είναι η γωνία (γ) που σχηματίζεται από την προβολή της καθέτου στην επιφάνεια πάνω στο oριζόντιo επίπεδο και τη νότια κατεύθυνση. Δέχεται τιμές -180 ο γ 180 ο με γ=0 ο για το Νότο, γ=90 ο για τη Δύση, γ=180 ο για το Βορρά και γ=-90 ο για την Ανατολή. Η γωνία πρόσπτωσης (θ), δηλαδή η γωνία που σχηματίζεται από τις προσπίπτουσες ακτίνες στην επιφάνεια κεκλιμένου επίπεδου γωνίας β και της κάθετης στην επιφάνεια, δίνεται από τη σχέση (Σχήμα 9.5Β): ( δ) sin( φ) cos( β) - sin( δ) cos( φ) sin( β) cos( γ) + cos( δ) cos( ω) cos( β) cos( )+ cos ( δ) sin( φ) sin( β) cos( γ) cos( ω) + cos( δ) sin( φ) sin( β) sin( γ) sin( ω)] -1 θ = cos [sin ω + (9-36) Εάν το επίπεδο είναι στραμμένο προς το νότο (δηλαδή γ = 0 ο ) τότε η σχέση (9-36) γίνεται: -1 θ = cos [ cos( φ - β) cos( δ) cos( ω) + sin( φ - β) sin( δ) ] (9-37) Ηλιακή ακτινοβολία εκτός ατμόσφαιρας καλείται η συνολική ηλιακή ακτινοβολία σε ένα επίπεδο εκτός ατμόσφαιρας και ορίζεται ως: G = ot G ocos( θ) (9-38) Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε ένα 24ώρο από την ώρα της ανατολής (t ds) έως την ώρα της δύσης (t dw), μια συγκεκριμένη ημέρα του έτους n, είναι: Η ot tds = G cos( θ)dt (9-39) tdw Η γωνία πρόσπτωσης είναι συνάρτηση του χρόνου t. Σε περίπτωση που το επίπεδο έχει κλίση Β=0 (ο προσανατολισμός γ είναι αδιάφορος, εάν η κλίση είναι μηδενική) τότε η σχέση (9-39) γίνεται: tds o [ cos( φ) cos( δ) cos( ω) sin( φ) sin( δ) ]dt Η o = G o + (9-40) tdw και μετά από ολοκλήρωση λαμβάνεται η έκφραση για την ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία εκτός ατμόσφαιρας: 24G o Η ο = [ cos( φ) cos( δ) cos( ω) + ωssin( φ) sin( δ) ] (9-41) π Μεταβολή της Ηλιακής Ακτινοβολίας Μέσα στην Ατμόσφαιρα H ηλιακή ακτινοβολία, όταν διέρχεται από την ατμόσφαιρα, υφίσταται εξασθένηση λόγω: A. σκέδασης από τα μόρια του αέρα, τους υδρατμούς και τη σκόνη και B. λόγω απορρόφησης από το O 3, τους υδρατμούς και το CO 2. Από τη σκέδαση προκύπτει η διάχυτη ακτινοβολία, ένα μέρος της οποίας, ύστερα από συνεχείς αλλαγές κατεύθυνσης, καταλήγει και αυτό στην επιφάνεια της Γης. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης εξαρτάται από τη γωνία πρόσπτωσης (γεωμετρική οπτική), (Σχήμα 9.7), την ώρα της ημέρας (πόση απόσταση στην ατμόσφαιρα διανύουν οι ακτίνες), τη θολότητα (π.χ. ρύπανση) και την ηλιοφάνεια (κλιματικές συνθήκες). Σχήμα 9.7: Πορεία των ακτίνων του Ήλιου προς την επιφάνεια της Γης Η ολική ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης μπορεί να υπολογισθεί ως άθροισμα της άμεσης και της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας, συμπεριλαμβανόμενης και της ανακλώμενης ακτινοβολίας από παρακείμενες επιφάνειες. Για τον ακριβή υπολογισμό πρέπει να εκτιμηθούν: Η γωνία και η περιοχή πρόσπτωσης.

9 Η επίδραση της περιστροφής της Γης (δηλαδή ώρα της ημέρας και ημέρα του έτους). Ο συντελεστής απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας από την ατμόσφαιρα. Οι συντελεστές απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας εξαρτώνται από την αέρια μάζα. Η αέρια μάζα (ΑΜ) είναι ο λόγος της οπτικής διαδρομής της άμεσης ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα προς την οπτική διαδρομή αν ο Ήλιος βρισκόταν στο ζενίθ. Για 0 o <θ z<70 ο στο επίπεδο της θάλασσας ισχύει: 1 AM = (9-42) cos( θ z ) ενώ για θ z>70 ο η επίδραση της καμπυλότητας της Γης γίνεται σημαντική και πρέπει να ληφθεί υπόψη Υπολογισμός της Ηλιακής Ακτινοβολίας Η εκτίμηση της ηλιακής ακτινοβολίας εντός ατμόσφαιρας γίνεται με την εφαρμογή διάφορων μοντέλων Έτσι το μοντέλο των Lui-Jordan (Μοντέλο Μέσης Ακτινοβολίας) εφαρμόζεται για τον υπολογισμό της μέσης ημερήσιας ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένο επίπεδο ενώ το μοντέλο του Hottel (Μοντέλο Αίθριας Ημέρας). για τον υπολογισμό της στιγμιαίας ηλιακής ακτινοβολίας σε μια αίθρια ημέρα: Μοντέλο Μέσης Ακτινοβολίας Ο συντελεστής αιθριότητας εκφράζει το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας στην κορυφή της ατμόσφαιρας το οποίο φτάνει στην επιφάνεια της Γης. Ο μέσος συντελεστής αφορά το αντίστοιχο ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας σε διάστημα ώρας, μέρας ή μήνα. Έτσι ο μέσος συντελεστής αιθριότητας είναι: H K T = (9-43) H o όπου Η ο η ηλιακή ακτινοβολία στην κορυφή της ατμόσφαιρας, και Η η ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια. Η ακτινοβολία σε επιφάνεια υπό κλίση (Η Τ) είναι ένα ποσοστό της ακτινοβολίας που προσπίπτει σε οριζόντιο επίπεδο (Η) και εκφράζεται μέσω του συντελεστή R(β) σύμφωνα με τη σχέση: H T = R( β)h (9-44) Ο συντελεστής R(β) είναι συνάρτηση της κλίσης του επιπέδου και υπολογίζεται από τη σχέση: + ( ) ( ) ( ) H = d H d 1 cos b 1 cos b R β R b r (9-45) H H 2 2 όπου H d είναι η διάχυτη ακτινοβολία, R b είναι ο λόγος της άμεσης ακτινοβολίας σε κεκλιμένο επίπεδο προς την άμεση ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο και r ο συντελεστής ανάκλασης της περιοχής. Ο συντελεστής ανάκλασης r δίνεται από πίνακες και εξαρτάται από το χαρακτήρα της περιοχής (οικιστικός, αγροτικός, κ.λπ.) (Πίνακας 9.3). Η παράμετρος R b μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: cos( φ β) cos( δ) sin( ωst ) + ωstsin( φ β) sin( δ) R b = (9-46) cos φ cos δ sin ω + ω sin φ sin δ ( ) ( ) ( s ) s ( ) ( ) 1 όπου ω = min ω,cos [ tan( φ δ) tan( δ) ] st { } s (9-47) Είδος επιφάνειας Συντελεστής ανάκλασης, (r) Επιφάνεια νερού Πίνακας 9.3: Συντελεστές ανάκλασης επιφανειών Ασφαλτο- Αγρός Πράσινος Βράχια Επιφάνεια τάπητας με αγρός παλαιού χώμα τσιμέντου Επιφάνεια νέου τσιμέντου Χιόνι Οι σχέσεις (9-46) και (9-47) αφορούν επιφάνεια που είναι στο βόρειο ημισφαίριο και κοιτάει προς το νότο (γ=0). Για επιφάνεια που είναι στο νότα και κοιτάει τον βορρά (γ = π) πρέπει στις σχέσεις αυτές όπου -β να γίνει +β. Στην εξίσωση υπολογισμού του R(β) εμφανίζεται ο λόγος της διάχυτης ακτινοβολίας προς τη συνολική ηλιακή ακτινοβολία. Ο δείκτης αιθριότητας (Κ Τ) καθορίζει τα ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας η οποία διαχέεται στο περιβάλλον. Η σχέση που δίνει το λόγο Η/ Η εξαρτάται από το δείκτη αιθριότητας και έχουν προταθεί αρκετές εξισώσεις συσχέτισης. Η εξίσωση που χρησιμοποιείται στους περισσότερους υπολογισμούς είναι η ακόλουθη: 0.99 K H K T K T K T K T 0.17 K T 0.75 d = (9-47) H 0.54K K 0.8 T 0.2 K T T T 0.8

10 Μοντέλο αίθριας ημέρας Η μέθοδος εκτίμησης του συντελεστή ατμοσφαιρικής διαπερατότητας της ηλιακής ακτινοβολίας σε κατάσταση καθαρού ουρανού, η οποία περιγράφεται από την ακόλουθη σχέση: τ st k cos( θ z ) = α + α e (9-48) ο Οι συντελεστές α ο, α 1 και k υπολογίζονται για την τυπική αίθρια ατμόσφαιρα και για υψόμετρο h, μικρότερο των 2.5km, από τις σχέσεις: α r h 2 2 α = r h (9-50) ο = 0 [ ( ) ] (9-49) ο 1 ( ) 2 α = r ( 2.5 h) (9-51) ο k 1 [ ] [ ] όπου r ο, r 1 και r k συντελεστές διόρθωσης που εξαρτώνται από τα τοπικά χαρακτηριστικά της κάθε περιοχής (Πίνακας 9.4). Πίνακας 9.4: Συντελεστές διόρθωσης Κλίμα r0 r1 rk Τροπικό Ήπιο (Καλοκαίρι) Ήπιο (Χειμώνας) Πολικό Η ολική προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης είναι το άθροισμα της άμεσης και της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας, δηλαδή: G = G + G (9-52) T όπου G b η άμεση ηλιακή ακτινοβολία είναι το μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στη Γη απευθείας από τον Ήλιο, χωρίς να μεσολαβήσει σκέδαση/διάχυση μέσα στην ατμόσφαιρα. υπολογίζεται με βάση την ηλιακή ακτινοβολία εκτός της ατμόσφαιρας και το συντελεστή ατμοσφαιρικής διαπερατότητας της ηλιακής ακτινοβολίας: G = bt τ bg ocos( θ) (9-63) G d η διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία είναι το μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στη Γη ύστερα από σκέδαση και αλλαγή κατεύθυνσης μέσα στην ατμόσφαιρα και υπολογίζεται ως: G d = G ocos( θ z )( τ b ) (9-54) Αρχή Λειτουργίας Φωτοβολταϊκού Κελιού Το βασικό στοιχείο παραγωγής ενέργειας είναι το φωτοβολταϊκό (Φ/Β) κελί ή στοιχείο (Σχήμα 9.8). Τα φωτοβολταϊκά κελιά διαφοροποιούνται με βάση το υλικό και τον τρόπο παραγωγής με αντίστοιχες διαφορές στο κόστος και την απόδοση. Οι τύποι των φωτοβολταϊκών που χρησιμοποιούνται σε πρακτικές εφαρμογές είναι: Μονοκρυσταλλικού πυριτίου, (mono-si) Σήμερα επιτυγχάνουν βαθμό απόδοσης 20% - 21%, αλλά η διαδικασία παραγωγής τους είναι ακριβότερη και δυσκολότερη καθώς το πυρίτιο κρυσταλλώνεται στο ίδιο πλέγμα. Λόγω της διαδικασίας παραγωγής τους παράγουν σημαντική ποσότητα αποβλήτων. Έχουν ομοιόμορφο μπλε σκούρο/μαύρο χρώμα και σχήμα τετραγωνικής κυψέλης. (Σχήμα 9.Α) Πολυκρυσταλλικού πυριτίου, (poly-si) Είναι τα συνηθέστερα φωτοβολταϊκά στην αγορά αλλά έχουν μικρότερο βαθμό απόδοσης από τα μονοκρυσταλλικού πυριτίου φθάνοντας έως 18%. Η διαδικασία παραγωγής τους είναι απλή και δεν παράγονται τόσα πολλά απόβλητα. Έχουν μπλε χρώμα το οποίο δεν είναι ομοιόμορφο σε όλη την επιφάνεια του κελιού ενώ το σχήμα τους είναι τετραγωνικό ή τετραγωνικής κυψέλης. (Σχήμα 9.Β) Λεπτού υμενίου. Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών λεπτού υμενίου έχει ως χαρακτηριστικό το χαμηλό βαθμό απόδοσης αλλά και το χαμηλό κόστος. Οι ημιαγωγοί που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι άμορφου - πυριτίου (a Si) με βαθμό απόδοσης έως 9%, καδμίου - τελούριου (CdTe) (Σχήμα 9.Γ) και χαλκού - ινδίου - γαλλίου (ClS). Το χρώμα τους ανάλογα με τον τύπο είναι μαύρο, μπλε ή σκούρο μωβ, ενώ έχουν τετράγωνο σχήμα. d bt Α Β Γ Σχήμα 9.8: Φωτοβολταϊκό κελί

11 Κριτήρια για την «ανακήρυξη» της καλύτερης τεχνολογίας είναι ο βαθμός απόδοσης, το ειδικό κόστος δηλαδή το κόστος προς την εγκατεστημένη ισχύ, η απαιτούμενη έκταση, καθώς και η συμπεριφορά του κελιού σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας ή διάχυτης ακτινοβολίας. Τα φωτοβολταϊκά κελιά στηρίζονται στην ικανότητα των ημιαγωγών να μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία δημιουργεί κίνηση φορτισμένων σωματιδίων μέσα στον ημιαγωγό παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Οι ημιαγωγοί αποτελούν μια κατηγορία στοιχείων που χαρακτηρίζονται από μικρά αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων και σχετικά μικρό ενεργειακό χάσμα E g. για τη μεταπήδηση των ηλεκτρονίων από τη ζώνη αγωγιμότητας στη ζώνη σθένους). Σε αντίθεση, οι αγωγοί (μεταλλικά στοιχεία) παρουσιάζουν μεγάλο πλήθος ελεύθερων ηλεκτρονίων και σχεδόν μηδενικό ενεργειακό χάσμα, που καθιστά εύκολη τη μεταπήδηση των ηλεκτρονίων από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, ενώ οι μονωτές διαθέτουν ελάχιστα ελεύθερα ηλεκτρόνια και είναι σχεδόν αδύνατη η μεταπήδηση ενός από τα ηλεκτρόνια σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, λόγω υψηλών τιμών του ενεργειακού χάσματος. Στη συνέχεια εξετάζουμε τη συμπεριφορά του στοιχείου πυριτίου (Si), που είναι αντιπροσωπευτική των ημιαγωγών. Η δομή του πυριτίου ακολουθεί την αδαμαντοειδή κρυστάλλωση όπου κάθε άτομο έχει τους κοντινότερους «γείτονες» στις τέσσερις γωνίες ενός τετραέδρου. Αυτή η δομή είναι αποτέλεσμα των δεσμών που δημιουργούνται από τα τέσσερα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας. Κάθε δεσμός μεταξύ δύο ατόμων πυριτίου έχει δύο ηλεκτρόνια (ένα από κάθε άτομο) και όλοι οι ημιαγωγοί σχηματίζουν παρόμοιες κρυσταλλικές δομές. Αυτή η κρυσταλλική δομή έχει σημαντικές επιπτώσεις στις ηλεκτρονικές και οπτικές ιδιότητες του ημιαγωγού. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου σε έναν κρύσταλλο πρέπει να βρίσκεται εντός καθορισμένου εύρους. Η ενέργεια των στοιβάδων σθένους που σχηματίζουν τους δεσμούς ανάμεσα στα άτομα ονομάζεται ζώνη σθένους και συμβολίζεται με Ε v. Η αμέσως μεγαλύτερη στάθμη ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας, συμβολίζεται με Ec και διαφέρει κατά μια ποσότητα από τη στάθμη σθένους που ονομάζεται ενεργειακό χάσμα (bad gap), E g (= E c-ε v), (Πίνακας 9.5). Πίνακας 9.5: Το ενεργειακό χάσμα συνηθισμένων ημιαγωγών Υλικό Ενεργειακό χάσμα (ev) Άμορφο πυρίτιο 1. 7 Κρυσταλλικό πυρίτιο 1.12 Τελουριούχο Κάδμιο (CdTe) 1.49 Αρσενικούχο Γάλλιο (GsAs) 1.43 Φωσφίδιο του ινδίου (InP) 1.35 Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός (CulnSe 2) 1.0 Ένας καθαρός ημιαγωγός περιέχει αριθμό ηλεκτρονίων έτσι ώστε η ζώνη σθένους να είναι πλήρης και η ζώνη αγωγιμότητας να είναι κενή. Επομένως, τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να ανέλθουν στη ζώνη αγωγιμότητας και οι ημιαγωγοί συμπεριφέρνονται ως μονωτές. Οι ημιαγωγοί μπορούν να άγουν τον ηλεκτρισμό μόνο εάν φορείς ηλεκτρισμού εισαχθούν στη ζώνη αγωγιμότητας ή αφαιρεθούν από τη ζώνη σθένους. Ένας τρόπος για να επιτευχθεί αυτό είναι η δημιουργία προσμίξεων ημιαγωγών με άλλα στοιχεία. Εάν γίνει πρόσμιξη με άτομα τα οποία έχουν πέντε ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα (π.χ. P), τότε τα τέσσερα από αυτά σχηματίζουν κανονικούς δεσμούς στο κρυσταλλικό πλέγμα με τα άτομα του ημιαγωγού και το πέμπτο μεταπηδά στη ζώνη αγωγιμότητας. Στην περίπτωση αυτή στη ζώνη αγωγιμότητας υπάρχει περίσσια ηλεκτρονίων, τα οποία είναι αρνητικά φορτισμένα και αυτού του είδους οι προσμίξεις ονομάζονται αρνητικές (negative / n-type). Όμοια, εάν γίνει πρόσμιξη με ένα άτομο με τρία ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα (π.χ. Β) τότε δημιουργείται έλλειμμα ηλεκτρονίων στη ζώνη σθένους και σχηματίζονται οι οπές ως φορείς ηλεκτρικού ρεύματος, οι οποίες είναι φορτισμένες θετικά και προσμίξεις αυτού του είδους ονομάζονται θετικές (positive / p-type). Η λειτουργία των φωτοβολταϊκών κελιών βασίζεται στο σχηματισμό επαφών ανάμεσα στους ημιαγωγούς. Ο συνηθέστερος τύπος επαφής είναι η επαφή p-n, όπου ημιαγωγός τύπου p έρχεται σε επαφή με ημιαγωγό τύπου n. Το βασικότερο χαρακτηριστικό των επαφών είναι πως δημιουργούν ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο καθώς ηλεκτρόνια από τον ημιαγωγό n διαχέονται προς τον ημιαγωγό p δημιουργώντας μια μικρή περιοχή αρνητικά φορτισμένη και αφήνουν πίσω τους μια μικρή περιοχή φορτισμένη θετικά, καθώς δημιουργούνται οπές. Το αποτέλεσμα της επαφής είναι πως η μικρή αυτή περιοχή κοντά στην διεπιφάνεια δεν περιέχει καθόλου φορείς μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος, δηλαδή οπές ή ηλεκτρόνια, και λειτουργεί ως φράγμα δυναμικού αποτρέποντας τη ροή ηλεκτρικού φορτίου. Η σύνδεση p-n αποτελεί μια απλή δίοδο, ενώ το διάγραμμα των ενεργειακών ζωνών μιας διόδου p-n φαίνεται στο Σχήμα 9.9.

12 Σχήμα 9.9: Επαφή p-n Σε μια επαφή p-n τα φωτόνια κατάλληλης ενέργειας διεγείρουν ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Όσο διαρκεί η ακτινοβόληση, δημιουργείται περίσσεια από ζεύγη φορέων (ηλεκτρόνια - οπές). Στην περιοχή της επαφής, οι φορείς δέχονται την επίδραση του ηλεκτροστατικού πεδίου και ως αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς την περιοχή p και στη συνέχεια κινούνται προς ένα συλλέκτη φορτίων στην εμπρόσθια επιφάνεια του κελιού και δημιουργείται ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα (Σχήμα 9.10), το οποίο με τη σειρά του «υπερνικά» το φράγμα εσωτερικού δυναμικού, όσο οι συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας το επιτρέπουν. Σχήμα 9.10: Δομή φωτοβολταϊκού κελιού Το στοιχειώδες κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού κελιού μοντελοποιείται από μια δίοδο, μια πηγή ρεύματος και μια αντίσταση παράλληλα σε αυτή και τέλος μια αντίσταση σε σειρά (Σχήμα 9.11). Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία η R sh έχει μεγαλύτερη των 500Ω. Οι αντιστάσεις R s και R sh μειώνουν αισθητά την απόδοση του φωτοβολταϊκού κελιού αφού επηρεάζουν τόσο την τάση V όσο και το ρεύμα I, [Παράγραφος 9.2.8]. Σχήμα 9.11: Στοιχειώδες ισοδύναμο κύκλωμα Φ/Β κελιού Η ένταση της πηγής ρεύματος ονομάζεται φωτόρευμα και σχετίζεται με την ηλιακή ακτινοβολία. Η χαρακτηριστική εξίσωση έντασης ρεύματος - τάσης της διόδου δίνεται από τη σχέση του Shockley: V q d e kt I d = I o e 1 (9-55) όπου I o το ρεύμα κόρου, q e το φορτίο του ηλεκτρονίου, k η σταθερά του Boltzman, V d η τάση στα άκρα της διόδου και Τ η θερμοκρασία της διόδου. Το ρεύμα στα άκρα του κυκλώματος θα είναι (νόμος του Kirkhoff): I = I I I (9-56) i όπου I i είναι το φωτόρευμα και I sh είναι το ρεύμα που διαρρέει την παράλληλη αντίσταση. Με τη βοήθεια της σχέσης (9-55), η σχέση (9-56) γράφεται: V q d e kt I = I i I o e 1 I sh (9-57) Η σχέση (9-57) με αντικατάσταση από το νόμο του Ohm για την παράλληλη αντίσταση R sh προκύπτει: V q d e V kt d I = I i I o e 1 (9-58) R sh d sh

13 Η τάση V d σχετίζεται με την τάση στους ακροδέκτες, με βάση τη σχέση: V σχέση (9-58) γράφεται: I d = V IR (9-59). Έτσι η V q d e V IR kt s = I i I o e 1 (9-60) R sh η οποία είναι χαρακτηριστική εξίσωση έντασης ρεύματος -τάσης (I-V) ενός φωτοβολταϊκού κελιού, (Σχήμα 9.12). s Σχήμα 9.12: Χαρακτηριστική I-V κελιού Η μέγιστη τιμή της ισχύος λαμβάνεται με την κατάλληλη επιλογή της αντίστασης του φορτίου. Σε αντίθεση με άλλες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα φωτοβολταϊκό κελί, η ηλεκτρική ισχύς εξαρτάται από το φορτίο. Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι η παραγόμενη ισχύς δεν είναι σταθερή. Πρέπει να καθοριστεί το σημείο μέγιστης ισχύος ανάλογα με τις συνθήκες θερμοκρασίας και έντασης ακτινοβολίας που υπάρχουν και να χρησιμοποιηθούν σε λειτουργία συσκευών ελέγχου και μέτρησης. Για να κατανοηθεί η ηλεκτρική συμπεριφορά των φωτοβολταϊκών στοιχείων, είναι χρήσιμο να δημιουργηθεί ένα πρότυπο το οποίο θα είναι το ηλεκτρικά ισοδύναμο (κύκλωμα), που αποτελείται από διακριτά ηλεκτρικά στοιχεία των οποίων η συμπεριφορά είναι γνωστή, όπως αυτό του Σχήματος Σκοπός του είναι να περιγράψει με επαρκή ακρίβεια την καμπύλη I-V (δηλαδή ποια είναι η σχέση που συνδέει το παραγόμενο ρεύμα σε σχέση με τη διαφορά δυναμικού στα άκρα του φωτοβολταϊκού κελιού). Ο λόγος της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος P mp προς το γινόμενο της βραχυκυκλωμένης έντασης I sc και της τάσης ανοιχτού κυκλώματος V oc ενός φωτοβολταϊκού κελιού ονομάζεται συντελεστής πλήρωσης (Fill Factor, FF). Εκφράζει την ορθογωνιότητα της χαρακτηριστικής καμπύλης I-V, (ιδανική δίοδος: περιερχόμενη γωνία 90 ο ). Pmp I mp IVmp FF = = (9-61) I scvoc I scvoc Το φωτοβολταϊκό στοιχείο ως πηγή παραγωγής ηλεκτρική ενέργειας έχει αρκετά ασυνήθιστη συμπεριφορά. Ενώ οι περισσότερες ηλεκτρικές πηγές διατηρούν τη τάση τους σταθερή στην περιοχή κανονικής λειτουργίας τους, στα φωτοβολταϊκά στοιχεία η τάση μεταβάλλεται μη γραμμικά σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος ακόμα και αν η ακτινοβολία παραμένει σταθερή. Για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και για μεταβαλλόμενες τιμές της αντίστασης του κυκλώματος που τροφοδοτεί το φωτοβολταϊκό στοιχείο, η τάση και η ένταση του ρεύματος του φωτοβολταϊκού κελιού παίρνουν ενδιάμεσες τιμές ανάμεσα στις ακραίες που αντιστοιχούν σε μηδενική αντίσταση (Το κύκλωμα είναι βραχυκυκλωμένο και έχει μέγιστη τιμή ρεύματος I sc και μηδενική τάση) και σε άπειρη αντίσταση (Το κύκλωμα είναι ανοιχτό και έχει μηδενική τιμή ρεύματος και μέγιστη τιμή τάσης V oc), όπως παρουσιάζεται στην χαρακτηριστική του Σχήματος 9.13 Σχήμα 9.13: Χαρακτηριστικές στοιχείου

14 Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σχετίζεται με την ένταση του φωτορεύματος. Μια εκτίμηση του φωτορεύματος μπορεί να γίνει εάν υποτεθεί πως ένα φωτόνιο έχει πιθανότητα να προκαλέσει παραγωγή ρεύματος αν η ενέργεια του είναι μεγαλύτερη από E g. Γενικά, η ενέργεια ενός φωτονίου μήκους κύματος λ είναι: hc E ( λ) = (9-62) λ όπου c η ταχύτητα του φωτός στο κενό και h η σταθερά του Planck. Το κρυσταλλικό πυρίτιο έχει ενεργειακό χάσμα Eg = 1.12eV καθώς αντιστοιχεί σε μήκος κύματος 1,108nm Το φωτοβολταϊκό κελί μπορεί να εκμεταλλεύεται την ηλιακή ακτινοβολία με μήκος κύματος μικρότερο από λ max. Η ροή φωτονίων (J Ph -φωτόνια ανά επιφάνεια και χρόνο) με μήκος κύματος που μπορούν να ενεργοποιήσουν ένα φωτοβολταϊκό κελί (δηλαδή μικρότερο του λ max) θα προκύψει από το ολοκλήρωμα της φασματικής κατανομής (u(λ)) επί τον κβαντικό βαθμό απόδοσης για κάθε μήκος κύματος. λ max u( λ) ηqe ( λ) J ph = dλ (9-63) E λ 0 Ο κβαντικός βαθμός απόδοσης (η QE) δίνει την πιθανότητα ένα φωτόνιο κατάλληλης ενέργειας να παράξει φωτόρευμα και είναι συνάρτηση του μήκους κύματος του φωτονίου, (Σχήμα 9.14). Εάν υπάρχουν διακριτές τιμές τότε η ροή των φωτονίων υπολογίζεται από το αντίστοιχο άθροισμα. Το φωτόρευμα στα πλαίσια της συγκεκριμένης ανάλυσης, μπορεί να θεωρηθεί πως δίνεται από τη σχέση: I = J q A (9-64) όπου A cell η επιφάνεια του κελιού. ( ) i ph e cell Σχήμα 9.14: Κβαντικός βαθμός απόδοσης συνάρτησει του μήκους κύματος για άμορφο και κρυσταλλικό Si Η ισχύς που μπορεί να παράξει ένα φωτοβολταϊκό κελί δίνεται από το γινόμενο της τάσης με την ένταση του ρεύματος, δηλαδή: P = VI (9-65) V d qe V IR kt s P = V I i I o e 1 (9-66) R sh Η ισχύς που τελικά θα αποδώσει το φωτοβολταϊκό κελί, εκτός από τα τεχνικά χαρακτηριστικά και τις συνθήκες του περιβάλλοντος, εξαρτάται και από τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του φορτίου που θα τοποθετηθεί στους ακροδέκτες του, τα οποία καθορίζουν το σημείο λειτουργίας του φωτοβολταϊκού κελιού (δηλαδή το ζεύγος τάσης-έντασης ρεύματος). dp Η μέγιστη ισχύς ενός κελιού δίνεται στο σημείο όπου ισχύει: = 0 (9-67), ενώ πρέπει να επαληθεύεται dv και η σχέση (9-60). Η λύση του συστήματος δίνει το σημείο λειτουργίας για το οποίο λαμβάνεται η μέγιστη ισχύς, Φωτοβολταϊκό Πλαίσιο Στις εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, χρησιμοποιούνται φωτοβολταϊκά πλαίσια (panels) τα οποία πρακτικά είναι φωτοβολταϊκά κελιά (στοιχεία) κατάλληλα συνδεδεμένα μεταξύ τους, (Σχήμα 9.15). Σχήμα 9.15: Φ/Β Στοιχείο (κελί), πλαίσιο (panel) και συστοιχία (arrays)

15 Εάν ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελείται από N s φωτοβολταϊκά κελιά συνδεδεμένα μεταξύ τους εν σειρά και Ν ρ σειρές συνδεδεμένες παράλληλα τότε η τάση και η ένταση του ρεύματος στα άκρα του πλαισίου θα είναι αντίστοιχα: Vpanel = N sv (9-68) I panel = N pi (9-69) Η χαρακτηριστική εξίσωση του πλαισίου βρίσκεται με αντικατάσταση της σχέσης (9-60), στην (9-69): V q d e V IR kt s I panel = N p I i I o e 1 (9-70) R sh η οποία με την βοήθεια της (9-68) δίνει την χαρακτηριστική εξίσωση πλαισίου: Vpanel I R V s q d e N s N kt p I = panel N p I i I o e 1 (9-71) R sh Η γραφική παράσταση της σχέσης είναι η χαρακτηριστική καμπύλη I panel - V panel του πλαισίου (Σχήμα 9.16.) η οποία και αποτελεί το σημαντικότερο τεχνικό χαρακτηριστικό του καθώς από εκεί εξάγονται όλες οι και παράμετροι που χρειάζονται για το σχεδιασμό ενός φωτοβολταϊκού συστήματος παραγωγής ενέργειας: Ι SC ρεύμα βραχυκύκλωσης (μέγιστο ρεύμα), V OC τάση ανοικτού κυκλώματος (μέγιστη τάση), Ι mp ένταση στη μέγιστη ισχύ, V mp τάση στη μέγιστη ισχύ, Ρ mp ή Ρ max μέγιστη ισχύς. Σχήμα 9.16: Χαρακτηριστικές πλαισίου Τα σημεία μέγιστης ισχύος του πλαισίου I mp και V mp μπορούν να βρεθούν με όμοιο τρόπο όπως στην περίπτωση του κελιού, δηλαδή από τη λύση του συστήματος των σχέσεων (9-71) και (9-72): dppanel d( I panel Vpanel ) = 0 = 0 (9-72) dv dv panel Η χαρακτηριστική καμπύλη σχεδιάζεται για συγκεκριμένες συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας (Σχήμα 9.16). Οι «Τυπικές Συνθήκες Δοκιμής» (Standard Test Conditions, STC) είναι: Ένταση ακτινοβολίας Gsτc= 1,000W/m2 Θερμοκρασία πλαισίου Tsτc= 298Κ και Φάσμα ακτινοβολίας σε 1.5 μάζα αέρα (ΑΜ1.5) Η μέγιστη ισχύς Ρ mp στις συνθήκες STC είναι η ονομαστική ισχύς ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου. Όταν οι μονάδες της ισχύος δίνονται με την κατάληξη p, π.χ. kw p, τότε αναφέρονται σε ονομαστικές συνθήκες STC. Ο ονομαστικός βαθμός απόδοσης προκύπτει από τη σχέση: Pmp,STC A panel η STC = (9-73) G STC όπου Α panel, το εμβαδό του πλαισίου. panel

16 9.2.8 Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Λειτουργία των Πλαισίων Επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας Η ενέργεια που παράγεται από ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο σε ετήσια βάση, είναι άμεσα συνδεδεμένη με τη διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία και ως εκ τούτου, εξαρτάται από τη γεωγραφική θέση εγκατάστασης του συστήματος. Η αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος και ως εκ τούτου, μεγαλύτερη παραγόμενη ισχύ. Στη Παράγραφο εξηγήθηκε ο τρόπος δημιουργίας του φωτορεύματος και ποσοτικοποιήθηκε μέσα από τις σχέσεις (9-), (9-) και (9-). Σε πρακτικές εφαρμογές μπορεί να θεωρηθεί πως το φωτόρευμα και η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι μεγέθη ανάλογα, G δηλαδή: I i = I i,stc (9-74) G όπου I i.stc η ένταση του φωτορεύματος στις συνθήκες STC, Η παραπάνω αναλογία οδηγεί τελικά την παραγόμενη ισχύ να είναι και αυτή ανάλογη της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. Επομένως, η ένταση του ρεύματος που παρέχει στο κύκλωμα το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι πρακτικά ανάλογη προς την ποσότητα της ακτινοβολίας που δέχεται, δηλαδή προς το γινόμενο της έντασης (της πυκνότητας της ισχύος) της ακτινοβολίας επί το εμβαδόν της επιφάνειάς του, (Σχήμα 9.17). STC Σχήμα 9.17: Επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας Το ρεύμα βραχυκυκλώματος I sc μεταβάλλεται γραμμικά με την ακτινοβολία, ενώ η τάση του ανοιχτού κυκλώματος V oc μένει σχεδόν σταθερή στις μεταβολές της ακτινοβολίας για μεγάλες σχετικά τιμές ακτινοβολίας. Μαθηματικά, η εξάρτηση τάσης-ακτινοβολίας είναι λογαριθμική, Επίδραση της θερμοκρασίας Ο βαθμός απόδοσης και τα τεχνικά χαρακτηριστικά ενός κελιού, ενός πλαισίου εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία της επιφάνειας του πλαισίου, όπως φαίνεται και στις εξισώσεις του μαθηματικού μοντέλου. Η επίδραση της θερμοκρασίας είναι δύσκολο να μελετηθεί θεωρητικά διότι μεταβάλλονται και άλλες παράμετροι (όπως το ρεύμα κόρου) που έχουν σύνθετη συμπεριφορά. Για το λόγο αυτό οι κατασκευαστές δίνουν, μετά από μετρήσεις, συντελεστές θερμοκρασιακής μεταβολής των βασικών ηλεκτρικών χαρακτηριστικών. Συντελεστής θερμοκρασιακής μεταβολής έντασης α i. Συντελεστής θερμοκρασιακή ς μεταβολής τάσης α v. Συντελεστής θερμοκρασιακής μεταβολής ισχύος α p. Οι συντελεστές αυτοί επιδρούν στα τρία βασικά χαρακτηριστικά μεγέθη ενός Φ/Β με βάση τις σχέσεις: ' ' ' I I 1+ α Τ' Τ V V 1+ α Τ' Τ P = P 1+ α Τ' Τ (9-77) sc = [ ( )] (9-75) = [ ( )] (9-76) [ ( )] sc i oc oc v όπου Τ η θερμοκρασία του πλαισίου και T η θερμοκρασίας αναφοράς (=25 ο C). Με τις ίδιες σχέσεις επιδρά η θερμοκρασία σε οποιοδήποτε άλλο σημείο της καμπύλης για το αντίστοιχο μέγεθος,ενώ οι συντελεστές α i, α v και α p μεταβάλλονται ελάχιστα. Οι συντελεστές δείχνουν την ποσοστιαία μεταβολή του μεγέθους για αύξηση της θερμοκρασίας κατά ένα βαθμό. Έτσι, πρακτικά με την αύξηση της θερμοκρασίας κατά ένα 1 ο C, εάν όλες οι υπόλοιπες συνθήκες μένουν σταθερές, η παραγόμενη τάση στα άκρα ενός Φ/Β πλαισίου κρυσταλλικού πυριτίου μειώνεται περίπου 0.3%, η ένταση του ρεύματος αυξάνεται περίπου 0.04%, ενώ η ισχύς μειώνεται κατά 0.45% και απόδοση κατά 0.5% (του άμορφου πυριτίου μειώνεται κατά %) Παρατήρηση: Η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αντίστοιχη αύξηση της ενδογενούς συγκέντρωσης των φορέων του ημιαγωγού, με αποτέλεσμα να πραγματοποιούνται περισσότερες επανασυνδέσεις φορέων. Έτσι, mp mp i

17 εκδηλώνεται ισχυρό ρεύμα διαρροής διαμέσου της διόδου (I d), που συνεπάγεται μείωση της V oc και του FF. Παράλληλα μειώνεται και η απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Σχήμα 9.18: Επίδραση της θερμοκρασίας Η θερμοκρασία επηρεάζει τη χαρακτηριστική I-V με δύο τρόπους: V q d e kt Άμεσα, μέσω του Τ που βρίσκεται στον εκθετικό όρο της χαρακτηριστικής εξίσωσης: I d = I o e 1 Έμμεσα μέσω της επίδρασης του I o. Ενώ η αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει το μέγεθος του εκθέτη, το μέγεθος του I o αυξάνεται εκθετικά με την αύξηση θερμοκρασίας. Η πιο σωστή επίδραση είναι να μειωθεί η V oc γραμμικά με την αύξηση της θερμοκρασίας. Το μέγεθος αυτής της μείωσης είναι αντιστρόφως ανάλογο προς την V oc δηλαδή τα φωτοβολταϊκά στοιχεία με τις υψηλότερες τιμές της V oc υφίστανται τις μικρότερες μειώσεις της τάσης με την αυξανόμενη θερμοκρασία. Για τα περισσότερα φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου η αλλαγή στην V oc με τη θερμοκρασία είναι της τάξης του -0,5%/ C ενώ για τα υψηλής απόδοσης είναι της τάξης του -0,3%/ C. Η τιμή του φωτορεύματος I i αυξάνεται αργά καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία λόγω της αύξησης των φορέων στο φωτοβολταϊκό στοιχείο. Πάντως αυτή η επίδραση είναι μικρή της τάξης του 0.065%/ C για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία κρυσταλλικού πυριτίου και 0.09%/ C για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου. Αντίσταση σειράς, R s Η αντίσταση R s είναι ένας σημαντικός παράγοντας που παίζει ρόλο στο βαθμό απόδοσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ της όψης του στοιχείου και της ένωσης p-n τόσο μεγαλύτερη είναι και η αντίσταση άρα και οι απώλειες ισχύος, (Σχήμα 9.19Α). Η αύξηση της αντίσταση σειράς Rs οδηγεί σε αύξηση της καταναλισκόμενης ισχύος στα άκρα της και η οποία αφαιρεί ισχύ το φωτοβολταϊκό. Η αντίσταση σειράς Rs εμποδίζει τη διέλευση των φορέων μέσα στον ημιαγωγό. Στο Σχήμα 9.19Β φαίνεται αναλυτικότερα η δομή του φωτοβολταϊκού στοιχείου καθώς και οι αντιστάσεις από τις οποίες αποτελείται η αντίσταση σειράς. Α Σχήμα 9.19: Επίδραση της αντίστασης σε σειρά Β

18 Παράλληλη αντίσταση, R sh Όταν η παράλληλη αντίσταση μειώνεται, τότε η ένταση του ρεύματος που διαρρέει την αντίσταση R sh αυξάνεται για δεδομένη τιμής της τάσης V στα άκρα της, με αποτέλεσμα να μειωθεί η τιμή της έντασης του ρεύματος φορτίου I και συνεπώς η τάση V oc. Για μικρές τιμές της R sh θα υπάρξει σημαντική μείωση της τάσης V oc, (Σχήμα 9.20) Σχήμα 9.20: Επίδραση της αντίστασης σε παραλληλία Ηλεκτρικές Απώλειες Οι ηλεκτρικές απώλειες εντοπίζονται στους αγωγούς που συνδέουν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια στις συστοιχίες, καθώς και τις συνδέσεις τους με άλλα μέρη του συστήματος, όπως διατάξεις ρύθμισης, προστασίας και ελέγχου, συσσωρευτές, μετατροπείς κλπ. Οπτικές Απώλειες Με τον όρο οπτικές απώλειες εννοούμε τη διαφοροποίηση της ανακλαστικότητας του φωτοβολταϊκού πλαισίου (υαλοπίνακας, αντανακλαστικό επίστρωμα, υλικό φωτοβολταϊκών στοιχείων) σε σχέση με την αντίστοιχη σε STC (Standard Testing Conditions). Επίσης, οπτικές απώλειες έχουμε και με τη διαφοροποίηση του φάσματος της ακτινοβολίας σε ετήσια βάση. Επιπλέον, υπάρχουν απώλειες λόγω διαφοροποίησης της πόλωσης της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της ημέρας καθώς και λόγω χαμηλών τιμών της πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. Σκίαση Το φαινόμενο της σκίασης εμφανίζεται είτε σε περιπτώσεις που συναντώνται εμπόδια στον ορίζοντα των πλαισίων όπως παρακείμενα κτήρια, βλάστηση κ.λπ., είτε σε περιπτώσεις με περιορισμένη έκταση εγκατάστασης όπως για παράδειγμα στις στέγες κτηρίων όπου προκαλείται σκίαση από τη μία σειρά στην επόμενη. Ιδιαίτερα στη δεύτερη περίπτωση, οι επιπτώσεις της σκίασης μπορεί να είναι σημαντικές και για το λόγο αυτό είναι αναγκαίος ο λεπτομερής προσδιορισμός των απωλειών που προκαλούν. Στην πράξη, για τα τυπικά φωτοβολταϊκά πλαίσια, το σκιασμένο στοιχείο λειτουργεί ως μία μεγάλη αντίσταση, όπου αποδίδεται η ενέργεια που προσφέρουν τα υπόλοιπα. Παρατεταμένος σκιασμός ενός στοιχείου σε συνδυασμό με έντονο φωτισμό των υπολοίπων μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή του στοιχείου αυτού και κατά συνέπεια στην αχρήστευση όλου του πλαισίου, επειδή δεν υπάρχει δυνατότητα αντικατάστασης ενός κατεστραμμένου στοιχείου. Το φαινόμενο αυτό αναφέρεται ως φαινόμενο Hot Spot (κατάσταση «θερμής κηλίδας»). Ρύπανση Η απόδοση των φωτοβολταϊκών πλαισίων μπορεί να μειωθεί από ρύπανση της επιφάνειάς τους, από την επικάθιση σκόνης, φύλλων, χιονιού, αλατιού από τη θάλασσα, εντόμων και άλλων ακαθαρσιών. Η μείωση είναι σημαντικότερη σε αστικές και βιομηχανικές περιοχές. Άνεμος Η ταχύτητα του ανέμου, μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στον καθορισμό της θερμοκρασίας του στοιχείου καθότι μεγάλες ταχύτητες, έχουν ως αποτέλεσμα χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Γήρανση Λόγω της φθοράς των φωτοβολταϊκών πλαισίων καθώς και των υπόλοιπων μερών που απαρτίζουν το φωτοβολταϊκό σύστημα αναμένεται ότι με την πάροδο του χρόνου θα παρουσιάζεται μία μικρή βαθμιαία πτώση στην ποσότητα παραγωγής της ηλεκτρικής ισχύος, που συνήθως υπολογίζεται από 1% ως 2% για κάθε έτος.

19 9.2.9 Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Η φωτοβολταϊκή συστοιχία (array ή string) αποτελείται από πλαίσια κατάλληλα συνδεδεμένα μεταξύ τους (σε σειρά και παράλληλα) έτσι ώστε στους ακροδέκτες της συστοιχίας να υπάρχουν ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τα οποία θα επιτρέψουν την σύνδεση με άλλες συσκευές (αντλίες, φωτιστικά, αντιστροφείς κ.λπ.) και την πραγματοποίηση κάποιας συγκεκριμένης εργασίας, (Σχήμα 9.21). Σχήμα 9.21: Φ/Β συστοιχία Γενικά, ισχύουν οι παρακάτω περιορισμοί στο σχεδιασμό μιας συστοιχία: Η σύνδεση ανόμοιων φωτοβολταϊκών πλαισίων στην ίδια συστοιχία απαγορεύεται καθώς τα διαφορετικά τεχνικά χαρακτηριστικά δημιουργούν απώλειες. Ακόμη και φωτοβολταϊκά πλαίσια του ίδιου μοντέλου έχουν μικρές διαφορές στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους. Γι' αυτό στην πράξη γίνεται ταίριασμα των χαρακτηριστικών (matching) με βάση το πιστοποιητικό μετρήσεων που συνοδεύει το κάθε πλαίσιο. Τα πλαίσια της κάθε συστοιχίας πρέπει να έχουν κοινό προσανατολισμό. Ο διαφορετικός προσανατολισμός αλλάζει την ένταση της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει στα πλαίσια με αποτέλεσμα και σε αυτή την περίπτωση διαφορετικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και απώλειες. Η μερική σκίαση των πλαισίων πρέπει να αποφεύγεται διότι είναι δυνατόν για σημαντικά χρονικά διαστήματα να υπάρχει μειωμένη παραγωγή. Εάν υπάρχουν φωτοβολταϊκά σε σκίαση τότε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο λειτουργεί ως διακόπτης με αποτέλεσμα να χάνεται η παραγωγή όχι μόνο από το πλαίσιο που είναι σκιασμένο αλλά από όσα πλαίσια είναι συνδεδεμένα σε σειρά. Για το λόγω αυτό χρησιμοποιούνται δίοδοι παράκαμψης μειώνοντας τις απώλειες. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια σε συστοιχίες χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε διάφορα συστήματα, όπως διασυνδεδεμένα συστήματα, αυτόνομα συστήματα με μπαταρία, συστήματα συνεχούς ρεύματος και υβριδικά συστήματα με ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Ο αριθμός των φωτοβολταϊκών πλαισίων που συμμετέχουν σε κάθε σύστημα εξαρτάται από τις ενεργειακές ανάγκες, το σκοπό της χρήσης και τα τεχνικά χαρακτηριστικά του πλαισίου. Έτσι τα συστήματα μπορούν να αποτελούνται από ένα και μόνο πλαίσιο για ειδικές χρήσεις, μέχρι πολλές χιλιάδες. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να εγκατασταθούν σε κτήρια, είτε στην οροφή είτε στο κέλυφος (BIPV-Building Integrated Ρhοtονοltaίcs) σε εκτάσεις Γης (φωτοβολταϊκά πάρκα), είτε μαζί με άλλες συσκευές ειδικού σκοπού (π.χ. φορτιστές εξοπλισμού τηλεμετάδοσης, σεισμολογικού δικτύου, κτλ.) Η ισχύς που θα αποδώσει μια φωτοβολταϊκή συστοιχία εξαρτάται από το σημείο λειτουργίας του συστήματος, δηλαδή από την τάση και την ένταση του ρεύματος. Το σημείο λειτουργίας καθορίζεται, από τα στιγμιαία χαρακτηριστικά της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, τα οποία καθορίζονται από την ηλιακή ακτινοβολία, τη θερμοκρασία, και το ηλεκτρικό φορτίο (κατανάλωση) που είναι συνδεδεμένο στους ακροδέκτες της συστοιχίας. Γραφικά, μπορεί να βρεθεί από το σημείο τομής των χαρακτηριστικών καμπύλων της συστοιχίας και του φορτίου ή αναλυτικά επιλύοντας τις χαρακτηριστικές εξισώσεις. Στο Σχήμα 9.22, παρουσιάζονται τα σημεία λειτουργίας τριών φορτίων (ωμική αντίσταση, μπαταρία κατά τη φόρτιση και διάταξη ΜΡΡΤ) για τρεις διαφορετικές εντάσεις ηλιακής ακτινοβολίας (Η.Α.). Το ΜΡΡΤ (Maximum Power Point Tracker) δεν είναι στην πραγματικότητα φορτίο, αλλά μια ηλεκτρονική διάταξη που οδηγεί τη συστοιχία, ανάλογα με το πραγματικό φορτίο, να λειτουργεί στη μέγιστη ισχύ η οποία βρίσκεται, όπως αναφέρθηκε στη Παράγραφο 9.2.7, στο «γόνατο» της χαρακτηριστικής καμπύλης, Σχεδόν σε όλα τα συστήματα χρησιμοποιούνται διατάξεις ΜΡΡΤ, που είναι ηλεκτρονικές διατάξεις που επιτρέπουν στο πραγματικό φορτίο να λειτουργεί στη μέγιστη ισχύ της συστοιχίας η οποία βρίσκεται, στο «γόνατο» της χαρακτηριστικής καμπύλης, αφού υπάρχει αύξηση της απόδοσης. Επιπλέον, η ύπαρξη αυτής της διάταξης απλοποιεί τους υπολογισμούς καθώς το σημείο λειτουργίας μιας δεδομένης συστοιχίας εξαρτάται μόνο από την ηλιακή ακτινοβολία και τη θερμοκρασία,

20 Σχήμα 9.22: Χαρακτηριστικές συστοιχίας για διαφορετικά φορτία Η σημαντικότερη κατηγορία φωτοβολταϊκών (Φ/Β) συστημάτων είναι αυτή των διασυνδεδεμένων με το ηλεκτρικό δίκτυο, Η εγκατεστημένη ισχύς τους κυμαίνεται από λίγα kw έως δεκάδες MW. Στα διασυνδεδεμένα συστήματα (Σχήμα 9.23) η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά, παρέχεται κατευθείαν στο ηλεκτρικό δίκτυο. Για να γίνει αυτό είναι απαραίτητη η ύπαρξη αντιστροφέα (Inverter), ο οποίος μετατρέπει το συνεχές ρεύμα (DC) που παράγεται από τη συστοιχία, σε εναλλασσόμενο (AC) για σύνδεση στο δίκτυο. ενώ περιλαμβάνει και τη διάταξη ΜΡΡΤ. Η στιγμιαία ισχύς που αποδίδεται στο δίκτυο, με πρόσπτωση στην επιφάνεια των φωτοβολταϊκών ηλιακής ακτινοβολίας έντασης Gr [W/m 2 ] είναι: P = η η 1 η GT A (W) (9-78) inv pv ( loss ) array όπου η inv ο στιγμιαίος βαθμός απόδοσης του αντιστροφέα, η pv ο στιγμιαίος βαθμός απόδοσης της συστοιχίας, η lοss οι απώλειες στις καλωδιώσεις, και A array η συνολική επιφάνεια των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε m 2. Η ενέργεια που αποδίδεται στο δίκτυο καταγράφεται σε μετρητές έτσι ώστε να αποδοθούν τα έσοδα από την πώληση της στον παραγωγό. Εάν είναι γνωστή η ετήσια παραγωγή ενέργειας ενός φωτοβολταϊκού πάρκου μπορεί να υπολογιστεί ο μέσος ετήσιος βαθμός απόδοσης: E an ηan = (9-79) H A όπου Ε an η ετήσια ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο επίπεδο των φωτοβολταϊκών σε kwh/έτος και Η an ο λόγος του ετήσιου βαθμού απόδοσης, προς τον ονομαστικό βαθμό απόδοσης των πλαισίων κατά STC ονομάζεται λόγος απόδοσης (PR) και αποτελεί βασικό κριτήριο απόδοσης ενός Φ/Β συστήματος. Η τιμή του κυμαίνεται από 70% έως 80%. ηan PR = (9-80) η an STC array Σχήμα 9.23: Διασυνδεδεμένο δίκτυο Τα διασυνδεδεμένα συστήματα είναι απλά στο σχεδιασμό και στην εγκατάσταση ενώ δεν απαιτούν ιδιαίτερη συντήρηση σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας παρά μόνο περιοδικό καθαρισμό των πλαισίων από διάφορες επικαθήσεις, π.χ. σκόνη. Για την αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας που συλλέγεται από ένα συλλέκτη εγκαθίστανται συσκευές που παρακολουθούν τη θέση του Ήλιου και στρέφουν τη συλλεκτική επιφάνεια κατάλληλα έτσι ώστε να είναι κάθετη στις ακτίνες του Ήλιου ελαχιστοποιώντας την γωνία πρόσπτωσης. Οι συσκευές αυτές ονομάζονται ηλιοστάτες (trackers). Η παρακολούθηση της θέσης του Ήλιου μπορεί να γίνει με πρόγραμμα είτε με ανίχνευση της μέγιστης ακτινοβολίας. Στην πράξη, οι ηλιοστάτες αλλάζουν θέση κάθε μερικά λεπτά, ενώ υπάρχουν περιορισμοί στις μέγιστες γωνίες περιστροφής. Το κόστος τους γενικά είναι υψηλό ενώ η

21 ενέργεια που προσφέρουν είναι περίπου 25% περισσότερη για μονοαξονικούς ηλιοστάτες και έως 35% για διαξονικούς σε σχέση με τους σταθερούς συλλέκτες. Ανάλογα με τον τρόπο περιστροφής του συλλέκτη, οι ηλιοστάτες κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες: Οι μονοαξονικοί ηλιοστάτες διακρίνονται σε τρεις υποκατηγορίες ανάλογα με τον άξονα περιστροφής. Η συνηθέστερη κατηγορία είναι αυτή του οριζόντιου άξονα. Ο οριζόντιος άξονας περιστροφής μπορεί να είναι κατά μήκος της διεύθυνσης Βορρά-Νότου και να αλλάζει τον προσανατολισμό του συλλέκτη από Ανατολή προς τη Δύση ακολουθώντας την κίνηση του ήλιου, κατά μήκος της διεύθυνσης Ανατολής-Δύσης και να αλλάζει την κλίση του συλλέκτη κατά τη μεταβολή του ηλιακού ύψους ή κατά μήκος κάποιας άλλης ανάλογα τις συνθήκες. Οι αζιμουθιακοί ή κατακόρυφου άξονα ηλιοστάτες στρέφονται ως προς κατακόρυφο άξονα αλλάζοντας συνεχώς την αζιμουθιακή τους γωνία αλλά η κλίση τους παραμένει σταθερή. Τέλος, υπάρχουν και οι ηλιοστάτες κλίσης που έχουν σταθερό προσανατολισμό, συνήθως νότιο, και αλλάζουν μόνο την κλίση τους. Οι διαξονικοί ηλιοστάτες έχουν πολλές παραλλαγές ανάλογα με τον τρόπο κίνησης. Οι συνηθέστεροι και πιο αποδοτικοί είναι οι ηλιοστάτες αζιμούθιου-ύψους. Στρέφονται έτσι ώστε το επίπεδο του συλλέκτη που βρίσκεται στην κορυφή τους να έχει πάντα τις ακτίνες του Ήλιου κάθετα. Για να έχει ένα επίπεδο, την ηλιακή ακτινοβολία κάθετα κάθε στιγμή θα πρέπει η κλίση του επίπεδου να είναι ίση με την γωνία ζενίθ του Ήλιου (β=θ s) και η γωνία αζιμούθιου θα πρέπει να είναι ίση με το ηλιακό αζιμούθιο (γ=γ s). Μια κατασκευαστικά απλούστερη κατηγορία διαξονικών ηλιοστατών είναι οι πολικοί ηλιοστάτες. Ο ένας άξονας περιστροφής είναι ο οριζόντιος ενώ αλλάζει και η κλίση ανάλογα με την εποχή. 9.3 Γεωθερμικοί Ηλεκτρικοί Σταθμοί Γεωθερμία ή γεωθερμική ενέργεια είναι η θερμική ενέργεια των πετρωμάτων της Γης και συγκεκριμένα εμπεριέχεται σε φυσικούς ατμούς, σε υπόγεια ή επιφανειακά ζεστά νερά και σε θερμά, ξηρά πετρώματα.. Η θερμότητα που εκλύεται στο εσωτερικό της Γης προέρχεται από το θερμό πυρήνα της και από τη φυσική ραδιενεργό μεταστοιχείωση υλικών του εδάφους. Έχει υπολογιστεί πως η ροή θερμότητας από το εσωτερικό της Γης προς το εξωτερικό έχει μέση τιμή περίπου 87mW/m 2.Η επιφάνεια της Γης έχει εμβαδόν 5.1x10 8 km 2, άρα η συνολική θερμότητα που φτάνει στην επιφάνεια της Γης είναι περισσότερο από 4.4x10 13 W. Το ποσό αυτό είναι υπερδιπλάσιο από την παγκόσμια ανάγκη ισχύος. Η γεωθερμική ενέργεια είναι διαθέσιμη σε κάθε σημείο του πλανήτη αλλά η μικροδομή, το είδος των πετρωμάτων, η κατανομή των λιθοσφαιρικών πλακών, κ.λπ., είναι αυτή που ευνοεί ορισμένες περιοχές να είναι πιο ευνοϊκές για εκμετάλλευση απ' ότι άλλες. Οι γεωλογικοί σχηματισμοί επιτρέπουν σε διάφορες θερμές μάζες (υγρές ή αέριες) να ανέρχονται και να δημιουργούν έτσι γεωθερμικές αποθήκες θερμότητας και γεωθερμικά πεδία τα οποία μπορούν να εκμεταλλευθούν κατάλληλες τεχνολογίες για την παραγωγή θερμότητας ή ηλεκτρικής ισχύος. Η γεωθερμική ενέργεια είναι μία ήπια μορφή ενέργειας, πρακτικά ανεξάντλητη και με την έννοια αυτή ανανεώσιμη. Είναι συνδεδεμένη με την ηφαιστειότητα και την γενικότερη γεωδυναμική κατάσταση της περιοχής, χαρακτηριστικά που στην Ελληνική επικράτεια παρουσιάζονται έντονα. Είναι γνωστό ότι η θερμοκρασία του υπεδάφους αυξάνεται κατά 1 o C ανά 33m βάθους. Πολλές φορές όμως λόγω γεωλογικών ανωμαλιών η αύξηση της θερμοκρασίας του υπεδάφους είναι πιο γρήγορη απ' ότι στη συνηθισμένη γεωλογική βαθμίδα. Σ' αυτές τις περιπτώσεις είναι εύκολη η χρησιμοποίηση της θερμότητας του υπεδάφους για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Η διαδικασία παραγωγής που υπάρχει σ' έναν ΑΗΣ, με τη διαφορά ότι η θερμότητα δεν παράγεται από καύση, αλλά προέρχεται από τη Γη Δομή του Εσωτερικού της Γης Το εσωτερικό της Γης αποτελείται από τρία βασικά στρώματα: Ο φλοιός αποτελεί το εξωτερικό κομμάτι της Γης με πάχος 5-70km (μέσο πάχος 30km) με τα λεπτότερα στρώματα να εμφανίζονται κάτω από τους ωκεανούς. Αποτελείται κυρίως από Si, το Na και διάφορα μέταλλα π.χ. Al. Η αύξηση της θερμοκρασίας της Γης συναρτήσει του βάθους σε κανονικές συνθήκες είναι περίπου σταθερή και ονομάζεται γεωθερμική βαθμίδα. Η φυσιολογική τιμή της γεωθερμικής βαθμίδας στα πρώτα χιλιόμετρα της λιθόσφαιρας κυμαίνεται μεταξύ C/km, ενώ η μέση τιμή της θεωρείται 33 C/km. Ο φλοιός της Γης αποτελεί την πλουσιότερη περιοχή ραδιενεργών ισοτόπων (Κ, Rb, Th και το U) από όλα τα εσωτερικά στρώματα της Γης. Αν και τα ραδιενεργά στοιχεία είναι μεγάλου ατομικού βάρους, έχουν σχετικά μικρή πυκνότητα με αποτέλεσμα να μη βρίσκονται σε περιοχές όπως ο μανδύας. Η συμβολή της διάσπασης '' των ραδιενεργών στοιχείων στην επιφανειακή θερμική ροή ( Q & ) περιγράφεται από τη σχέση: '' " " Q & = Q& o + DQ& A (9-81) " όπου Q & o θερμική ροή που δεν συνδέεται με τη διάσπαση των ραδιενεργών στοιχείων, D το πάχος του " μανδύα και Q & " -λt A είναι η παραγωγή θερμότητας ανά μονάδα όγκου πετρώματος: Q & A = h oe (9-82)

22 όπου ho μία αρχική τιμή, λ η σταθερά διάσπασης και t ο χρόνος. Ο μανδύας είναι το μεσαίο στρώμα της δομής της Γης και εκτείνεται σε βάθος 2890km. Αποτελείται κυρίως από Fe και Mg. Το άνω μέρος του μανδύα είναι ημιτηγμένο (μάγμα), ενώ το κάτω λειτουργεί ως εύπλαστο στερεό. Ο πυρήνας αποτελείται από τον έσω πυρήνα και τον έξω πυρήνα. Ο έξω πυρήνας αποτελείται από τετηγμένο Fe και Ni και φτάνει σε βάθος έως και τα 5,100km. Ο έσω πυρήνας αποτελείται από στερεό κράμα Fe και Ni και φτάνει ως το κέντρο της Γης, σε βάθος 6,380km. Κατά το σχηματισμό της Γης, στον πυρήνα συγκεντρώθηκαν μεγάλες ποσότητες βαρέων υλικών, κυρίως Fe και Ni, οι οποίες κάτω από τη μεγάλη πίεση και σε συνδυασμό με τη θερμότητα που δόθηκε από θερμοπυρηνικές αντιδράσεις, βρέθηκαν σε υγρή και θερμή κατάσταση (υγρός εξωτερικός πυρήνας) ενώ το εσωτερικό κομμάτι του πυρήνα παρέμεινε σε στερεά κατάσταση. Η θερμοκρασία στα όρια του εξωτερικού υγρού πυρήνα είναι 4,000Κ ενώ η θερμοκρασία στο όριο ανάμεσα στον εσωτερικό και τον εξωτερικό πυρήνα φτάνει τους 5,400Κ. Η θερμότητα μεταφέρεται προς την επιφάνεια με ταυτόχρονη ψύξη του πυρήνα, αλλά πραγματοποιείται με αργούς ρυθμούς Γεωθερμικό πεδίο Το γεωθερμικό πεδίο αποτελείται από μια πηγή θερμότητας και από ένα γεωλογικό σχηματισμό (ή γεωθερμικό ταμιευτήρα). Η πηγή θερμότητας μπορεί να είναι μια τοπική γεωλογική θερμική ροή ή μια μαγματική πηγή πολύ υψηλής θερμοκρασίας, ενώ ο γεωλογικός σχηματισμός (πέτρωμα) μπορεί να είναι πορώδης, συμπαγής ή τεμαχισμένος. Ανάλογα την περίπτωση, μέσα στους σχηματισμούς, κυκλοφορούν ρευστά όπως θερμό νερό ή αέριο. Γενικά τα γεωθερμικά πεδία εμφανίζονται στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών της Γης. Οι κατηγορίες των εκμεταλλεύσιμων γεωθερμικών πεδίων είναι: Υδροθερμικά πεδία Είναι τα πιο συνηθισμένα γεωθερμικά πεδία προς εκμετάλλευση. Πρόκειται για θερμά ρευστά (συνήθως νερό με έντονη παρουσία αλάτων και οξέων) τα οποία θερμαίνονται από μια εστία θερμότητας και ανεβαίνουν στην επιφάνεια με φυσικό ή τεχνητό τρόπο. Aβαθής γεωθερμία Στη συγκεκριμένη περίπτωση οι γεωλογικοί σχηματισμοί βρίσκονται σε βάθος μικρότερο από 150m και η θερμοκρασία τους δεν ξεπερνά τους 25 C. Η θερμότητα προέρχεται, από το θερμό εσωτερικό της Γης αλλά κυρίως από την ηλιακή ακτινοβολία η οποία αποθηκεύεται στο έδαφος. Το αβαθές ενεργειακό απόθεμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αντλίες θερμότητας νερού-νερού με οικονομικό τρόπο. Προχωρημένα γεωθερμικά πεδία Σε βάθος από 2km έως 10km η θερμοκρασία των πετρωμάτων είναι αρκετά υψηλή έτσι ώστε να μπορεί ανακτηθεί θερμική ενέργεια. Στέλνοντας νερό από την επιφάνεια μέσω γεωτρήσεων μέσα στη Γη ανεβαίνει το θερμοκρασιακό του περιεχόμενο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Γεωπεπιεσμένα πεδία Σε αυτά υπάρχουν μεγάλες ποσότητες θερμών ρευστών εγκλωβισμένες υπό μεγάλη πίεση μέσα σε μη περατά πετρώματα ενώ η πίεση τους υπερβαίνει την υδροστατική. Μαγματικά πεδία Στα πεδία αυτά μπορούν να γίνουν ειδικές γεωτρήσεις και να ληφθεί θερμότητα από μαγματικούς σχηματισμούς που έχουν ανέλθει σε σχετικά χαμηλό βάθος. Οι τεχνολογίες εκμετάλλευσης επιλέγονται βάσει της έντασης του δυναμικού του πεδίου, η οποία μετριέται με βάση την ενθαλπία των γεωθερμικών ρευστών. Επειδή η ενθαλπία είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας, χρησιμοποιείται η θερμοκρασία ως μέτρο της κατηγοριοποίησης της έντασης του γεωθερμικού δυναμικού, Πίνακας 9.6. Πίνακας 9.6 Ενθαλπία Θερμοκρασία Εφαρμογή υψηλής Τ>160 C παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος, ψύξη με απορρόφηση κ.α. μέσης 160 C>Τ>90 C παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος, παραγωγή αλουμίνας ή βαρέος ύδατος με τη μέθοδο H2S κ.α. χαμηλής 90 C>Τ>30 C άμεση μεταφορά θερμότητας, ξήρανση αγροτικών προϊόντων, θέρμανση χώρων, βιομηχανία τροφίμων κ.α. πολύ χαμηλής Τ<30 C αντλίες θερμότητας για ψύξη και θέρμανση κολυμβητηρίων, ιχθυοκαλλιέργειες κ.α. Τα χαρακτηριστικά ενός γεωθερμικού πεδίου που πρέπει να προσδιορίσουν είναι: Το μέγεθος (το βάθος, η έκταση, η ακριβής τοποθεσία σε χάρτη μαζί με τα όριά του) Οι ιδιότητες του ρευστού (η παροχή, το είδος και η προέλευση της θερμότητας, η θερμοκρασίας του, η χημική και φυσική σύσταση ρευστού/αερίου και πιθανά ραδιενεργά στοιχεία) Στην περίπτωση που το γεωθερμικό ρευστό είναι το νερό, τότε διαχωρίζεται σε σχέση με το είδος και τη συγκέντρωση του κυρίαρχου ανιόντος. Ο βασικότερος τύπος που παρατηρείται είναι τα χλωριούχα νερά σε συγκεντρώσεις κοντά στα 10,000 mg/l. Σε άλλες περιπτώσεις μπορεί το νερό να είναι πλούσιο σε ανθρακικά ιόντα, σε θειικά ιόντα ή και σε συνδυασμούς των παραπάνω Το pη και η περιεκτικότητα σε άλατα

23 (Total Dissolved Solids-TDS). Όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία, κατά κανόνα, τόσο μικρότερη είναι και η περιεκτικότητα του νερού σε άλατα) Η αξιοπιστία και Το κόστος εκμετάλλευσης. Στην Ελλάδα τα περισσότερα γεωθερμικά πεδία (χαμηλής ενθαλπίας) εντοπίζονται στη Κεντρική και Ανατολική Μακεδονία, στη Θράκη και στα νησιά του Βορείου Αιγαίου ενώ τα γεωθερμικά πεδία υψηλής θερμοκρασίας εντοπίζονται στη Μήλο και τη Νίσυρο, Το απολήψιμο γεωθερμοηλεκτρικό δυναμικό στη χώρα μας εκτιμάται ότι είναι μεταξύ MW και βρίσκεται κυρίως στις νήσους Μήλο, Νίσυρο, και Λέσβο, όπου η σύνθλιψη των λιθοσφαιρικών πλακών στην περιοχή του Αιγαίου δημιούργησε το ομώνυμο ηφαιστειακό τόξο. (Πηγή: Ινστιτούτο Γεωλογικών και Μεταλλευτικών Ερευνών και Μελετών (Ι.Γ.Μ.Ε.)) Παραγωγή Ηλεκτρικής Ισχύος Η γεωθερμία, πλεονεκτεί έναντι των άλλων μορφών ανανεώσιμων πηγών ως προς το ότι είναι διαθέσιμη όλες τις ώρες και μέρες και δεν μεταβάλλεται στοχαστικά όπως η αιολική και η ηλιακή ενέργεια. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση γεωθερμίας μπορεί να πραγματοποιηθεί με μονάδες συμβατικών ατμοστρόβιλων είτε με μονάδες δυαδικού κύκλου. Η επιλογή της τεχνολογίας γίνεται με βάση τη διαθέσιμη ενθαλπία. Το πλεονέκτημα αυτών των συστημάτων είναι ότι καθώς η παροχή ενέργειας δεν μεταβάλλεται μπορούν να δουλεύουν συνεχώς και να επιτυγχάνουν συντελεστές εκμετάλλευσης που ξεπερνούν το 70%. Στην απλούστερη περίπτωση, ο υγρός ατμός που εξέρχεται από τη γεωθερμική πηγή, διαχωρίζεται και ο ξηρός ατμός εισέρχεται κατευθείαν στο συμβατικό ατμοστρόβιλο (ανοιχτού κυκλώματος), [Παράγραφος 2.9]. Οι συμβατικοί ατμοστρόβιλοι απαιτούν ρευστό θερμοκρασίας τουλάχιστον 150 C. Ο ατμός μετά το στρόβιλο απελευθερώνεται στο περιβάλλον. Γενικά αυτές οι μονάδες δεν είναι πολύ αποδοτικές λόγω της χαμηλής πίεσης λειτουργίας. Έχουν όμως το πλεονέκτημα της γρήγορης και φθηνής κατασκευής. Εάν το πεδίο δεν διαθέτει υδάτινο ορίζοντα τότε τροφοδοτείται για παράδειγμα με αλμυρό νερού σε γεώτρηση βάθους m ενώ η άντλησή του γίνεται από άλλη κοντινή γεώτρηση. Η δεύτερη παραλλαγή αφορά τις μονάδες με συμπυκνωτή. Η βασική διαφορά είναι πως ο ατμός μετά το στρόβιλο οδηγείται σε συμπυκνωτή με πύργο ψύξης (Σχήμα 9.24). Αυτές οι μονάδες είναι αρκετά πιο αποδοτικές αλλά κοστίζουν αρκετά περισσότερο αφού έχουν πιο σύνθετες διατάξεις και επιπλέον μηχανισμούς. Σχήμα 9.24: Block διάγραμμα σταθμού παραγωγής ισχύος από γεωθερμία Ειδικά, για την εκμετάλλευση των γεωθερμικών πεδίων μέσης ενθαλπίας επιλέγεται η λύση του κλειστού κυκλώματος, δηλαδή το γεωθερμικό ρευστό δεν εισέρχεται στον στρόβιλο αλλά σε έναν εναλλάκτη και ατμοποιεί ένα οργανικό ρευστό (συνήθως n-πεντάνιο) το οποίο έχει χαμηλή θερμοκρασία ατμοποίησης και υψηλή τάση ατμών σε χαμηλές θερμοκρασίες σε σχέση με το νερό. Το οργανικό κύκλωμα λειτουργεί όπως ένα τυπικό συμβατικό κύκλο Rankine. Η απόδοση αυτών των γεωθερμικών σταθμών είναι μικρότερη των σταθμών που χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα, αλλά το κόστος κατασκευής τους είναι μικρότερο και φυσικά το καύσιμο είναι δωρεάν. 9.4 Παλιρροιακοί Υδροηλεκτρικοί Σταθμοί Για πολλά χρόνια, η χρησιμοποίηση της ενέργειας που υπάρχει στη παλιρροιακή ροή των διωρύγων και καναλιών, υπήρξε το αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας. Παρόλα αυτά, δεν κατέστη δυνατό ακόμα να ξεπεραστούν οι τεχνικές και οικονομικές δυσκολίες που προέκυψαν ώστε να εφαρμοστεί ευρεύως η τεχνική αυτή. Ένας παλιρροιακός σταθμός ισχύος έχει κατασκευαστεί στην εκβολή La Rance της βόρειας Γαλλίας, όπου η διαφορά ύψους των νερών μεταξύ της πλημμυρίδας και της άμπωτης είναι h = 9.2m και η ροή της παλίρροιας εκτιμάται ότι είναι 18,000m 3 /s.

24 9.5 Αποθήκευση Ενέργειας Μέχρι σήμερα δεν έχει βρεθεί οικονομικός τρόπος για αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με το μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό φορτίο, προκαλεί σημαντική οικονομική επιβάρυνση στη λειτουργία των ηλεκτρικών συστημάτων. Οι υδροαντλητικοί σταθμοί [Παράγραφος 9.5.1] είναι ο πλέον διαδεδομένος τρόπος αποθήκευσης μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας κατά τις νυχτερινές ώρες χαμηλού φορτίου και η μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια τις ώρες μεγίστου φορτίου. Άλλες μέθοδοι αποθήκευσης ενέργειας η χρήση υβριδικών συστημάτων [Παράγραφος 9.5.2], η αποθήκευση συμπιεσμένου αέρα σε υπόγεια σπήλαια ή η θέρμανση νερού και η αξιοποίησή της τις ώρες μεγίστου φορτίου (σε εγκαταστάσεις τηλεθέρμανσης) και οι κυψέλες καυσίμου ή ενεργειακές κυψέλες, [Παράγραφος 9.5.3] Υδροηλεκτρικά Αμφίδρομης Λειτουργίας Οι απαιτήσεις για ηλεκτρική ενέργεια είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερες κατά τη διάρκεια της ημέρας σε σχέση με τη νύχτα. Οι εταιρείες παροχής ηλεκτρισμού συχνά πωλούν ενέργεια στους καταναλωτές τη νύχτα σε πολύ χαμηλότερες τιμές, για να τους ενθαρρύνουν να χρησιμοποιούν τη διαθέσιμη ικανότητα παραγωγής ισχύος. Μ αυτόν τον τρόπο αποφεύγεται η κατασκευή μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος αιχμής υψηλού κόστους λειτουργίας, οι οποίες θα χρησιμοποιούνται μόνο για μικρό χρονικό διάστημα, σε περιόδους υψηλής ζήτησης. Από την άλλη, προκειμένου να καλυφθούν οι αυξημένες ημερήσιες ενεργειακές ανάγκες και ν αποφευχθεί ένα πιθανό black out, οι εταιρείες αναγκάζονται να αγοράζουν σε υψηλές τιμές ενέργεια από ιδιώτες ή να εισάγουν από γειτονικές χώρες όταν αυτό είναι εφικτό. Γενικά, η σειρά προτίμησης των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος για την κάλυψη των αναγκών του δικτύου σε ενέργεια στις ώρες αιχμής είναι: ΥΗΕ με μεγάλο ταμιευτήρα αποταμίευσης, υδροηλεκτρικά αμφίδρομης λειτουργίας, αεριοστροβιλικοί σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος, εισαγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από γειτονικές χώρες. Σε κάθε περίπτωση ο διαχειριστής του δικτύου επιλέγει την προσφορότερη πηγή βάσει οικονομικών κριτηρίων και τεχνικής επάρκειας. Τα υδροηλεκτρικά αμφίδρομης λειτουργίας ή συστήματα αντλησιωταμίευσης είναι τα υδροηλεκτρικά συστήματα τα οποία έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν ως κανονικά υδροηλεκτρικά παράγοντας ηλεκτρική ισχύ, όταν αυτό απαιτείται, με την υδατόπτωση του νερού από έναν ταμιευτήρα σε υψηλότερο σημείο σε έναν ταμιευτήρα σε χαμηλότερο υψόμετρο, αλλά μπορούν να λειτουργούν και ως αποταμιευτές μεταφέροντας νερό από τον κάτω στον άνω ταμιευτήρα όταν υπάρχει περίσσια ηλεκτρικής ενέργειας. Περίσσια ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να υπάρχει όταν: η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο είναι χαμηλή και τα συμβατικά συστήματα δεν μπορούν να τεθούν εκτός λειτουργίας ή να δουλέψουν σε χαμηλότερη ισχύ (συνήθως κατά τις πρώτες πρωινές ώρες). υπάρχει μεγάλη παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος από ανανεώσιμες πηγές όπως τα αιολικά και τα φωτοβολταϊκά συστήματα, που ολόκληρη η ηλεκτροπαραγωγή τους πρέπει να απορροφάται τη στιγμή που παράγεται. Η μεταφορά του νερού στον άνω ταμιευτήρα πραγματοποιείται με σκοπό τη χρήση της αποθηκευμένης δυναμικής ενέργειας του νερού όταν υπάρχει μεγάλη ζήτηση ισχύος (peak), ενώ το νερό επιστρέφει στον άνω ταμιευτήρα τις νυχτερινές ώρες όταν η ζήτηση είναι χαμηλή. Ο βαθμός απόδοσης αυτών των συστημάτων είναι από 70-80%, δηλαδή από το ποσό της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώθηκε για την άντληση τελικά το 70 με 80% θα αποδοθεί πίσω στο ηλεκτρικό σύστημα. Αυτές οι απώλειες αφορούν κυρίως τις απώλειες στους υδροστρόβιλους και τις αντλίες, τις ηλεκτρικές απώλειες στις γεννήτριες και τους ηλεκτροκινητήρες καθώς και τις απώλειες στους αγωγούς προσαγωγής/απαγωγής του νερού. Είναι προφανές, ότι οι συνολικές απώλειες ενέργειας είναι αναλογικά μεγαλύτερες όσο το μέγεθος των μηχανών γίνεται μικρότερο. Για την επιστροφή του νερού στον άνω ταμιευτήρα, είναι δυνατό να χρησιμοποιείται ο υδροστρόβιλος σε αντίστροφη λειτουργία (στροβιλαντλία), ή να υπάρχουν ξεχωριστές αντλίες. Τα μειονεκτήματα αυτής της τεχνολογίας σε σχέση με τις εναλλακτικές μονάδες αιχμής είναι: υψηλότερο κόστος ανά μονάδα εγκατάστασης ισχύος, καθορισμένη θέση εγκατάστασης η οποία συνήθως βρίσκεται σε απομακρυσμένες περιοχές, πράγμα που σημαίνει επιπλέον επιβάρυνση από τις γραμμές μεταφοράς και τις αντίστοιχες απώλειες, μεγάλη περίοδος κατασκευής και υψηλό κόστος. Παρόλα αυτά το όφελος δυνητικά είναι αρκετά μεγάλο καθώς αξιοποιεί περίσσεια ηλεκτρικής ενέργειας χαμηλού κόστους για την κάλυψη φορτίου σε ώρες υψηλής ζήτησης και υψηλού κόστους. Ειδικά σε μικρά συστήματα π.χ. νησιών, μπορεί να συνδυαστεί με την τεχνολογία των αιολικών (ή/και των φωτοβολταϊκών)

25 συστημάτων με στόχο να αξιοποιήσει την περίσσεια ισχύος για τη βέλτιστη για το σύστημα κάλυψη του φορτίου. Τα συστήματα αυτά ονομάζονται υβριδικά. Σε κάθε περίπτωση η τελική απόφαση είναι αποτέλεσμα οικονομοτεχνικής μελέτης που λαμβάνει επίσης υπόψη το κόστος του χρήματος, τις διεθνείς τιμών καυσίμων, τις χρηματικές ποινές για εκπομπές CO 2 κ.λπ. Τα υδροηλεκτρικά αμφίδρομης λειτουργίας τεχνικά έχουν δύο δυνατότητες ηλεκτρομηχανολογικών διαμορφώσεων: 1. Υδροστρόβιλος, φυγόκεντρη αντλία και ηλεκτρική μηχανή (που λειτουργεί σαν γεννήτρια ή σαν κινητήρας). Όλες οι διατάξεις είναι συνδεδεμένες στον ίδιο άξονα. Η επιλογή του υδροστρόβιλου γίνεται ανάλογα με την υδραυλική πτώση, ενώ η αντλία επιλέγεται να είναι πολυβάθμια ή μονοβάθμια, μονής ή διπλής αναρρόφησης, ανάλογα με την υψομετρική διαφορά και την παροχή. Η φορά περιστροφής διατηρείται ίδια και για τις δύο λειτουργίες. Συνήθως, τοποθετείται υδροδυναμικός συμπλέκτης στα δύο άκρα του άξονα της ηλεκτρικής μηχανής, ώστε όταν λειτουργεί ο υδροστρόβιλος, η αντλία να μην περιστρέφεται και αντίστροφα, επιτυγχάνοντας έτσι μείωση των φθορών. Πλεονεκτήματα: Τόσο ο υδροστρόβιλος όσο και η αντλία επιλέγονται να λειτουργούν στο αντίστοιχο βέλτιστο σημείο λειτουργίας (σημείο σχεδιασμού), χωρίς συμβιβασμούς στα λειτουργικά χαρακτηριστικά τους. Ευκολία στην αντιστροφή λειτουργίας, που είναι σημαντική όταν προβλέπεται ότι η συχνότητα εναλλαγής της λειτουργίας είναι υψηλή. Μειονεκτήματα: Αύξηση του κόστους κτήσης του ηλεκτρομηχανολογικού (Η/Μ) εξοπλισμού (δύο υδροδυναμικές μηχανές και συμπλέκτης). Απαιτείται μεγαλύτερος χώρος εγκατάστασης, λόγω της ύπαρξης περισσότερων διατάξεων. Είναι τεχνικά η μόνη επιλογή όταν η διαθέσιμη υδραυλική πτώση είναι μεγάλη, που σημαίνει επιλογή υδροστρόβιλου τύπου Pelton, ο οποίος δεν μπορεί να λειτουργήσει αντίστροφα, δηλαδή σαν αντλία. 2. Μια υδροδυναμική μηχανή που λειτουργεί σαν υδροστρόβιλος (αντλιοστρόβιλος) ή σαν αντλία (στροβιλαντλία) Η αλλαγή της λειτουργίας εξασφαλίζεται με την αντιστροφή της φοράς περιστροφής του στροφείου (πτερωτής), οπότε αντιστρέφεται και η ροή. Η διαμόρφωση αυτή πλεονεκτεί όσο αναφορά το κόστος του Η/Μ εξοπλισμού και του απαιτούμενου χώρου εγκατάστασης. Στην περίπτωση της στροβιλαντλίας -λόγω της μεγάλης έντασης ηλεκτρικού ρεύματος που απορροφάται από τον ηλεκτρικό κινητήρα κατά τη φάση της εκκίνησης- απαιτεί ιδιαίτερη διαδικασία. Η ισχύς την οποία απορροφά η αντλία στην κανονική ταχύτητα περιστροφής της και με κλειστά τα ρυθμιστικά πτερύγια (μηδενική παροχή) είναι της τάξεως του 30% της ονομαστικής της ισχύος, ενώ η ισχύς που απορροφά η αντλία στην κανονική ταχύτητα περιστροφής της με ανοικτά τα ρυθμιστικά πτερύγια αλλά κλειστή τη βάνα της κατάθλιψης είναι της τάξεως του 60% της ονομαστικής ισχύος. Επίσης, η ισχύς που απορροφά η αντλία στην κανονική ταχύτητα περιστροφής όταν είναι κενή από νερό (λειτουργία σε περιβάλλον αέρα) είναι της τάξεως του l-2% της ονομαστικής ισχύος (πρόκειται ουσιαστικά για τις μηχανικές απώλειες εδράνων). Το ολικό ύψος για μηδενική παροχή είναι μεγαλύτερο από το ολικό ύψος στο κανονικό σημείο λειτουργίας (για την κανονική ταχύτητα περιστροφής), διαφορετικά η χαρακτηριστική θα ήταν ασταθής. Τρόποι εκκίνησης: Εκκίνηση με την πτερωτή γεμάτη με νερό και τη στεφάνη των ρυθμιστικών πτερυγίων κλειστή. Ο τρόπος αυτός εφαρμόζεται αφού προηγουμένως το στροφείο πιάσει την ονομαστική ταχύτητα περιστροφής της αντλίας (συνθήκη συγχρονισμού). Για να επιτευχθεί όμως αυτό θα πρέπει να υπάρχει βοηθητικός υδροστρόβιλος που θα προσδώσει την απαιτούμενη ισχύ. Μετά την επίτευξη της σύγχρονης ταχύτητας περιστροφής ανοίγουν σταδιακά τα ρυθμιστικά πτερύγια μέχρι την επίτευξη του επιθυμητού σημείου λειτουργίας. Η μεταβατική αυτή κατάσταση λειτουργίας της αντλίας είναι ασταθής και προκαλείται θόρυβος. Όσο διάστημα τα ρυθμιστικά πτερύγια είναι κλειστά, η σημαντική ενέργεια που απορροφάται μετατρέπεται σε θερμότητα στο εσωτερικό της μηχανής, η οποία και απάγεται μέσω ανεξάρτητου εσωτερικού κυκλώματος παροχής νερού. Εκκίνηση με την πτερωτή κενή από νερό, τα ρυθμιστικά πτερύγια κλειστά και ανοικτή τη βάννα της κατάθλιψης. Ο τρόπος αυτός εφαρμόζεται αφού απομακρυνθεί το νερό από την πτερωτή μέσω πεπιεσμένου αέρα που εκχύεται από ακροφύσιο στο επίπεδο του σπειροειδούς κελύφους. Η πίεση ρυθμίζεται συνεχώς έτσι ώστε η ελεύθερη στάθμη του νερού στον αγωγό αναρρόφησης να είναι χαμηλότερη από το κατώτερο σημείο της πτερωτής. Στη συνέχεια το στροφείο τίθεται σε περιστροφή μέχρι την επίτευξη της ονομαστικής ταχύτητας περιστροφής είτε μέσω βοηθητικού υδροστρόβιλου είτε με κατ' ευθείαν σύζευξη στο δίκτυο υπό χαμηλή τάση. Ο συγχρονισμός του στροφείου επιτυγχάνεται σχετικά πιο εύκολα στην περίπτωση αυτή λαμβάνοντας υπόψη την πολύ μικρή ισχύ που απορροφά η πτερωτή. Στη συνέχεια, μειώνουμε προοδευτικά

26 την πίεση του αέρα, οπότε η στάθμη του νερού ανεβαίνει, το φαινόμενο εξελίσσεται κρουστικά τη χρονική στιγμή κατά την οποία η στάθμη του νερού ξεπερνάει ολόκληρη την ακμή εισόδου των πτερυγίων: λόγω της περιστροφής της πτερωτής το νερό φυγοκεντρείται, γεμίζει απότομα η πτερωτή και αυξάνει πολύ γρήγορα η απορροφούμενη ισχύς (από1-3% φθάνει το 30-40% της ονομαστικής ισχύος). Για την αποφυγή αυτών των κρουστικών φαινομένων έχουν δοκιμασθεί διάφοροι άλλοι τρόποι όπως η πλήρωση της πτερωτής από τον πάνω ταμιευτήρα μέσω βοηθητικού αγωγού που καταλήγει στο σπειροειδές κέλυφος μεταξύ της πτερωτής και της στεφάνης των ρυθμιστικών πτερυγίων ή η τροφοδοσία με δέσμες νερού που προκαλούν περιστροφική κίνηση ενώ σταδιακά ο αέρας αφαιρείται από την κοίλη άτρακτο. Μόνο όταν έχει γεμίσει με νερό η αντλία ανοίγουν σταδιακά τα ρυθμιστικά πτερύγια. Παρατήρηση: Στο δεύτερο τρόπο και ιδιαίτερα όταν ο αγωγός αναρρόφησης έχει μεγάλο μήκος, είναι αναγκαία η κατασκευή πύργου ανάπαλσης [Παράγραφος 8.3], ο οποίος μειώνει την ένταση του υδραυλικού πλήγματος κατά την εκκίνηση της αντλίας, Ο πύργος ανάπαλσης όμως προκαλεί ταλαντώσεις μεγάλης περιόδου και διάρκειας, μέχρι την αποκατάσταση της τελικής μόνιμης κατάστασης Υβριδικά Συστήματα Ο ιδανικός τρόπος εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας (όπως και της υδάτινης) πρέπει να αντιμετωπίζει τη μεταβλητότητα την οποία ενέχουν αυτές οι πηγές ενέργειας, και δεν είναι άλλος από τα υβριδικά συστήματα. Η ανάγκη αποθήκευσης της ενέργειας από τον άνεμο οδήγησε σε συστήματα άντλησης νερού σε φράγματα, παραγωγής υδρογόνου, φόρτιση συσσωρευτών, κ.λπ. Ειδικότερα στον Ελλαδικό νησιωτικό χώρο, το πλούσιο αιολικό δυναμικό θα ήταν χρήσιμο για την παραγωγή πόσιμου νερού. Επίσης ο συνδυασμός της αιολικής με ηλιακή ή αιολικής με υδάτινη μορφή ενέργειας είναι από τους καλύτερους τρόπους επίλυσης των προβλημάτων που παρουσιάζονται λόγω της διακοπτόμενης και ασταθούς παροχής της. Επίσης, ένας αποτελεσματικός τρόπος για την εκμετάλλευση της παλίρροιας είναι κατά τη διάρκεια της πλημμυρίδας να διοχετεύουμε τα νερά σε μία δεξαμενή μέσω στροβίλων και κατά την άμπωτη να απελευθερώνουμε τα νερά της δεξαμενής, πάλι μέσω στροβίλων. Έτσι εξασφαλίζεται συνεχή λειτουργία, αν και οι στρόβιλοι πρέπει να είναι ικανοί να εργάζονται με μεταβαλλόμενη υψομετρική διαφορά των νερών. Τα υβριδικά συστήματα ΑΠΕ και ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους (Η/Ζ), είναι μια κατηγορία αυτόνομων συστημάτων. Χρησιμοποιούνται για την κάλυψη ηλεκτρικών αναγκών εκεί που δεν υπάρχει πρόσβαση στο δίκτυο της ηλεκτρικής ενέργειας ενώ οι ανάγκες για την κάλυψη του φορτίου είναι μεγάλες και σημαντικές, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις είναι εξαιρετικά σημαντικό να μη σταματά ποτέ η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στο φορτίο. Χρησιμοποιούνται σε απομακρυσμένα χωριά ή σε τηλεπικοινωνιακούς αναμεταδότες. Επιπλέον εξάρτημα σε αυτή την περίπτωση είναι το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, δηλαδή η μηχανή εσωτερικής καύσης, συνήθως με καύσιμο πετρέλαιο Diesel ή βενζίνη μαζί με την ηλεκτρογεννήτρια. Το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος τίθεται σε λειτουργία όταν δεν επαρκεί η ενέργεια από ΑΠΕ ή από τη μπαταρία για την κάλυψη του φορτίου Συστήματα Κυψελών Καυσίμου Ένα σύστημα κυψελών καυσίμου αποτελείται από μια συστοιχία κυψελών καυσίμου, μία κατάλληλη διάταξη επεξεργασίας καυσίμου επίσης διατάξεις μεταφοράς θερμότητας, παραλαβής παραγόμενης ισχύος και τέλος κατάλληλα συστήματα ελέγχου, (Σχήμα 9.25). Σχήμα 9.25: Ολοκληρωμένο σύστημα κυψελών καυσίμου

27 Βασική μονάδα του συστήματος κυψελών καυσίμου είναι η κυψέλη καυσίμου (Fuel Cell, FC) η οποία είναι μια χημική διάταξη παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος με χρήση καυσίμου π.χ υδρογόνου. Οι κυψέλες καυσίμου παράγουν σταθερό συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα μέσω ηλεκτροχημικών αντιδράσεων, ακριβώς όπως οι συσσωρευτές (μπαταρίες). Ωστόσο η θεμελιώδης διαφορά τους είναι ότι μπορούν να λειτουργούν συνεχώς, αρκεί να τροφοδοτούνται με τις κατάλληλες αντιδρούσες ύλες, ενώ οι κοινές μπαταρίες καταναλώνουν τα δομικά τους υλικά (ηλεκτρόδια) για την πραγματοποίηση των αντιδράσεων και επομένως έχουν περιορισμένο χρόνο ζωής. Οι αντιδρώντες αυτές ύλες είναι ένα ρεύμα κατάλληλου αερίου -συνήθως- καυσίμου και ένα ρεύμα οξειδωτικού. Τα προϊόντα είναι συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα, θερμότητα και νερό (Σχήμα 9.26). Σχήμα 9.26: Ροές αντιδρώντων προϊόντων σε κυψέλη καυσίμου Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (π.χ. αιολική, γεωθερμική, ηλιακή ενέργεια), χρησιμοποιούνται σε ευρεία κλίμακα, όμως απαιτείται ιδιαίτερο περιβάλλον (κλιματολογικές συνθήκες, τοποθεσία) για την αποτελεσματική τους λειτουργία. Αντίθετα, οι κυψέλες καυσίμου: δεν απαιτούν ιδιαίτερο περιβάλλον για την εγκατάσταση και την ομαλή τους λειτουργία, παράγουν από ελάχιστους ως μηδενικούς ρύπους ειδικά όταν χρησιμοποιούν καύσιμο καθαρό υδρογόνο, (όταν το καύσιμο περιέχει άνθρακα, εκπέμπονται και αέρια επιβλαβή για το περιβάλλον π.χ. CΟ 2, αλλά σε ποσότητες πολύ μικρότερες από έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης αντίστοιχης ισχύος, είναι ιδιαίτερα αποδοτικές (ακόμα και σε μερικά φορτία), τόσο για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος (κατά την ηλεκτροπαραγωγή επιτυγχάνουν βαθμό απόδοσης 40-80%), όσο και για την παραγωγή θερμότητας, λειτουργούν αθόρυβα Αρχή Λειτουργίας Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να χαρακτηριστούν σαν κέντρα ενός συστήματος το οποίο πραγματοποιεί μια χημική αντίδραση μεταξύ ενός καυσίμου και ενός οξειδωτικού παράγοντα με τη συνεισφορά ενός καταλύτη. Είναι ηλεκτροχημικές συσκευές και αυτές οι οποίες αναλαμβάνουν τη μετατροπή του καυσίμου σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν γενικότερα υγρά ή αέρια καύσιμα, όπως το υδρογόνο, ή τους υδρογονάνθρακες, βιοκαύσιμα, αλκοόλες (μεθανόλη, αιθανόλη) και το φυσικό αέριο, [Παράγραφος ]. Η σημερινή τεχνολογία κυψελών καυσίμου απαιτεί καύσιμο Η 2 το οποίο παράγεται με κατάλληλη επεξεργασία καυσίμων υδρογονανθράκων. Το επικρατέστερο καύσιμο προς επεξεργασία είναι το φυσικό αέριο το οποίο είναι σχετικά καθαρό καύσιμο απαλλαγμένο από ρύπους, και για το οποίο υπάρχει εγκατεστημένη υποδομή [Παράγραφος ]. Όταν το καύσιμο είναι καθαρό υδρογόνο, το μόνο παραπροϊόν είναι το νερό και η θερμότητα. Το οξειδωτικό μέσο είναι αέριο οξυγόνο ή αέρας. Η κυψέλη καυσίμου παρομοιάζεται με τον συσσωρευτή (μπαταρία) αφού περιέχει ηλεκτρόδια (άνοδος και κάθοδος) διαχωρισμένα από έναν ηλεκτρολύτη. Η διαφορά της είναι η συνεχής παροχή της ηλεκτρικής ενέργειας. Το καύσιμο και το οξειδωτικό μέσο, το οποίο είναι συνήθως οξυγόνο, παρέχονται αδιάκοπα στην κυψέλη καυσίμου από εξωτερική πηγή. Στον συσσωρευτή, το καύσιμο και το οξειδωτικό μέσο περιέχονται στο εσωτερικό του και όταν τα αντιδρώντα καταναλωθούν, ο συσσωρευτής θα πρέπει να αντικατασταθεί ή να επαναφορτιστεί. Οι κυψέλες καυσίμου είναι εξώθερμες διατάξεις, παράγοντας θερμότητα ως υποπροϊόν της χημικής αντίδρασης η οποία είναι διαθέσιμη για εφαρμογές συμπαραγωγής. Η βασική αρχή λειτουργίας της, θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι το αντίθετο της ηλεκτρόλυσης. Ηλεκτρόλυση είναι η διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο, όταν μέσα από αυτό ρέει ηλεκτρικό ρεύμα. Στις κυψέλες καυσίμου, το υδρογόνο «ξαναενώνεται» με το οξυγόνο, παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Υπάρχουν αρκετές τεχνολογίες κυψελών καυσίμου [Παράγραφος ], όμως η λειτουργία όλων βασίζεται στην ίδια αρχή. Γενικά, αποτελούνται από τρία στοιχεία -συνδεδεμένα μεταξύ τους- τα ηλεκτρόδια άνοδος (τροφοδοτείται με καύσιμο) και κάθοδος (τροφοδοτείται με αέρα ή καθαρό Ο 2), και τον ηλεκτρολύτη που βρίσκεται ανάμεσα τους. Η συγκροτημένη δομή τους αποτελείται από τρεις πλάκες που εφάπτονται-συνδέονται μεταξύ τους. Οι δύο εξωτερικές είναι η άνοδος και η κάθοδος και ενδιάμεσο τοποθετείται ο ηλεκτρολύτης, που στη περίπτωση που χρησιμοποιούμε κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής ιόντων, το ρόλο του ηλεκτρολύτη παίζει η μεμβράνη που τοποθετείται ενδιάμεσα, [Κυψέλες μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων PEΜFC, Παράγραφος

28 ]. Επίσης, μεταξύ της μεμβράνης και των ηλεκτροδίων υπάρχει ένα στρώμα καταλύτη, που βοηθάει στην πραγματοποίηση των χημικών αντιδράσεων, (Σχήμα 9.27). Σχήμα 9.27: Ηλεκτροχημικές αντιδράσεις στο εσωτερκό της κυψέλης καυσίμου Δύο χημικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται στην επιφάνεια των τριών διαφορετικών στοιχείων. Το αποτέλεσμα είναι η κατανάλωση του καυσίμου και παράλληλα η δημιουργία νερού ή διοξειδίου του άνθρακα καθώς και η παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος που θα τροφοδοτήσει ηλεκτρικές συσκευές και το οποίο χαρακτηρίζεται ως παραγόμενο ηλεκτρικό φορτίο. Τα δύο ηλεκτρόδια, η κάθοδος (θετικά φορτισμένη) και η άνοδος (αρνητικά φορτισμένη) άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα, ενώ αντίθετα ο ηλεκτρολύτης που παρεμβάλλεται ανάμεσα τους αποτελεί μονωτή αυτού, άγει όμως τα παραγόμενα ιόντα από την αντίδραση. Άνοδος και κάθοδος συνδέονται μέσω εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος με την κατανάλωση της παραγόμενης ενέργειας. Η άνοδος τροφοδοτείται με το ρεύμα καυσίμου, ιδανικά ένα ρεύμα υδρογόνου, το οποίο διασπάται καταλυτικά (δηλαδή με την παρουσία κατάλληλου καταλύτη) σε ιόντα υδρογόνου και ηλεκτρόνια σύμφωνα με την αντίδραση (9-) H 2 = 2H + 2e (οξείδωση του υδρογόνου) (9-83) Τα ηλεκτρόνια που παράγονται μεταφέρονται μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος στην κάθοδο δημιουργώντας ροή ρεύματος, ενώ η μεμβράνη που αποτρέπει τη διεύλευσή τους μέσα από αυτήν είναι ηλεκτρικά μη αγώγιμο υλικό, σε αντίθεση με άνοδος και ο καταλύτης να είναι αγώγιμα. Ο ηλεκτρολύτης (μεμβράνη) είναι ηλεκτρικά μη αγώγιμο υλικό, επιτρέπει όμως τη διέλευση των υδρογονοκατιόντων μέσα από την επιφάνεια του, με κατεύθυνση τη κάθοδο. Αυτό συμβαίνει λόγω διαφοράς συγκεντρώσεως από τη μεταξύ των δύο πλευρών της μεμβράνης. Η μεμβράνη είναι ημιπερατή επομένως εφαρμοζεται ο νόμος της ώσμωσης (μηχανισμός μεταφοράς μάζας) για τη μεταφορά των ατόμων μέσα από αυτήν. Τα θετικά φορτισμένα άτομα του υδρογόνου (μεμονωμένα πρωτόνια) συνδέονται στη κάθοδο (καταλυτικά) με το οξυγόνο που τροφοδοτείται εκεί. Επομένως, στην κάθοδο λαμβάνει χώρα η δεύτερη καταλυτική αντίδραση σύμφωνα με την οποία οξυγόνο, υδρογόνο και εισερχόμενα ηλεκτρόνια ενώνονται δίνοντας νερό (είτε σε υγρή, είτε υπό μορφή ατμού) και θερμότητα (εξώθερμη αντίδραση): 1 1 O 2 + 2e + 2H H 2O (αναγωγή του οξυγόνου) (9-84) 2 2 Η ολική αντίδραση προκύπτει αθροίζοντας τις επιμέρους αντιδράσεις, είναι: 1 + O H O (9-85) H Σε όλη τη παραπάνω διαδικασία αρκετά σημαντικό ρόλο επιτελεί ο καταλύτης που υπάρχει συνδεδεμένος στην άνοδο και τη κάθοδο αντίστοιχα. Ο καταλύτης αναλαμβάνει την επιτάχυνση της δημιουργίας του νερού από τα συστατικά του. Τα δύο στρώματα καταλύτη χρησιμεύουν στην αύξηση της ταχύτητας των αντιδράσεων διάσπασης του μορίου του υδρογόνου και της ένωσης υδρογόνου οξυγόνου για τη δημιουργία νερού, στην άνοδο και στην κάθοδο αντίστοιχα. Παρατήρηση: Οι παραπάνω αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στις τεχνολογίες κυψελών καυσίμου χαμηλών θερμοκρασιών και παρουσιάζονται λόγω της απλότητας τους. Οι αντιδράσεις στους άλλους τύπους είναι διαφορετικές [Παράγραφος ] ωστόσο η αρχή λειτουργίας παραμένει η ίδια. Η όλη δραστηριότητα εξελίσσεται φυσικά, αλλά οι πραγματοποιθείσες αντιδράσεις είναι αργές, περιορίζοντας την ισχύ εξόδου της κυψέλης καυσίμου. Η απόδοση της κυψέλης καυσίμου, περιορίζεται κυρίως από την αντίδραση αναγωγής του οξυγόνου, η οποία είναι 100 φορές πιο αργή από την αντίδραση οξείδωσης του

29 υδρογόνου. Έτσι για την επιτάχυνση των αντιδράσεων στα ηλεκτρόδια χρησιμοποιείται καταλύτης. Ένας κοινός καταλύτης που χρησιμοποιείται στις χαμηλής θερμοκρασίας κυψέλες καυσίμου είναι η πλατίνα (Pt). Με βάση τη παραπάνω διαδικασία η διαφορά δυναμικού που σχηματίζεται από τα υδρογονοκατιόντα, και τα ηλεκτρόνια είναι η αιτία δημιουργίας ηλεκτρικού ρεύματος, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από οποιαδήποτε εφαρμογή. Σε συνθήκες περιβάλλοντος, η ιδανική τιμή της διαφοράς δυναμικού που αναπτύσσεται είναι 1.23V, από ένα μεμονωμένο κελί καυσίμου που χρησιμοποιεί υδρογόνο-οξυγόνο. Η τάση αυτή, είναι συνάρτηση της ελεύθερης ενέργειας και των αντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής.. και εξαρτάται από τις συνθήκες λειτουργίας του κελιού καυσίμου και το μέγεθος του φορτίου που συνδέεται στο κελί. Στην πράξη, μια ρεαλιστική τιμή της διαφοράς δυναμικού που παράγεται είναι 0.7V. Για την επίτευξη μεγαλύτερης τιμής διαφοράς δυναμικού μπορούμε να συνδέσουμε πολλές κυψέλες καυσίμου σε σειρά δημιουργώντας αυτό που στη βιομηχανία λέγεται συστοιχία κυψελών καυσίμου (fuel cell stack), [Παράγραφος ]. Στη περίπτωση αυτή η συνολική διαφορά δυναμικού υπολογίζεται ως το γινόμενο του μέσου όρου της διαφοράς δυναμικού που αποδίδει το κάθε κελί ξεχωριστά επί τον συνολικό αριθμών των κελιών που συγκροτούν τη συστοιχία. Η κυψέλη μετατρέπει απευθείας τη χημική ενέργεια του καυσίμου σε ηλεκτρική ενέργεια. Σε ένα κελί καυσίμου υπάρχει ασάφεια στον καθορισμό της εισερχόμενης και εξερχόμενης ενέργειας, αντίστοιχα. Αυτό απορρέει από το γεγονός ότι η εισερχόμενη ενέργεια είναι η χημική ενέργεια του υδρογόνου και οξυγόνου αντίστοιχα και η εξερχόμενη είναι η ηλεκτρική, η θερμική και η χημική ενέργεια του παραγόμενου νερού. Οι διάφορες χημικές ενέργειες δεν είναι εύκολα προσδιορίσιμες και έτσι η μοναδική προσέγγιση που πραγματοποιείται είναι από τη σκοπιά της Θερμοδυναμικής, και τη χρησιμοποίηση της ελεύθερης ενέργειας του Gibbs που χρησιμοποιείται για να περιγράψει ενεργειακά τις χημικές διεργασίες. Παρατήρηση: Η ενέργεια του Gibbs ορίζεται ως η ενέργεια που είναι διαθέσιμη για την παραγωγή έργου αγνοώντας τη συμβολή σε αυτό μεταβολών της πίεσης και του όγκου μεταξύ των αντιδρώντων και προϊόντων ρευμάτων. Η δε σχέση της με την ενθαλπία δίνεται από τη σχέση G=Η-TS, δηλαδή ισούται με την ενθαλπία εάν αφαιρεθεί η ενέργεια που συνδέεται με τη μεταβολή της εντροπίας. Επομένως, στη περίπτωση της κυψέλης καυσίμου που εξετάζουμε, η ενέργεια (ηλεκτρική και θερμική) που απελευθερώνεται από την αντίδραση του υδρογόνου με το οξυγόνο, προσδιορίζεται από τη μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας σχηματισμού του Gibbs, και ισούται με την ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού των προϊόντων μείον την ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού των αντιδρώντων: ΔG = G G (9-86) f ( f ) products ( f ) reactants Όπου ο δείκτης f σημαίνει σχηματισμό (formation). Στην περίπτωση αυτή είναι πιο βολικό να υπολογίζουμε αυτές τις ενεργειακές ποσότητες ανά mol. Για g, είναι η μοριακή ελεύθερη ενέργεια Gibbs του σχηματισμού του νερού. Από τη παράδειγμα, ο όρος ( ) H O f 2 συνολική χημική αντίδραση της κυψέλης καυσίμου (σχέση (8-5)), προκύπτει ότι το προϊόν είναι 1molΗ 2Ο και τα αντιδρώντα που χρειάζονται είναι 1molΗ 2 και 1/2molO 2. Επομένως, η παραγόμενη ενέργεια χρησιμοποιώντας τη σχέση (8-6) με τις μοριακές ποσότητες της ενέργειας του Gibbs, υπολογίζεται ως εξής: 1 Δg f = ( g f ) 2 ( g f ) 2 ( g f ) H O H O 2 2 (9-87) Παρόλο που υπολογισμός της παραγόμενης ενέργειας χρησιμοποιώντας την ελεύθερη ενέργεια του Gibbs, φαίνεται απλός, εντούτοις η ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού του Gibbs, μεταβάλλεται επηρεαζόμενη από τη θερμοκρασία και τη κατάσταση του στοιχείου (υγρή ή αέρια). Αν θεωρήσουμε αντιστρεπτή τη διαδικασία (μηδενικές απώλειες) τότε όλη η ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού του Gibbs, μετατρέπεται σε ηλεκτρική (στη πραγματικότητα, ένα ποσό μετατρέπεται σε θερμότητα). Όσον αφορά το φορτίο, στην περίπτωση της κυψέλης καυσίμου υδρογόνου κατά τη πραγματοποίηση της χημικής αντίδρασης, 2 ηλεκτρόνια μεταφέρονται δια μέσου του εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος για κάθε παραγόμενο μόριο νερού και κάθε μόριο υδρογόνου που χρησιμοποιείται. Άρα με βάση τη χημική ισορροπία, για 1molΗ 2 που χρησιμοποιείται, 2. Ν Α ηλεκτρόνια, περνούν δια μέσου του ηλεκτρικού κυκλώματος, όπου Ν Α είναι ο αριθμός Avogadro. Εάν -e είναι το φορτίο του ενός ηλεκτρονίου τότε το φορτίο που μεταφέρεται δια μέσου του κυκλώματος είναι: 2NAe = 2F (Cb) (9-88) όπου F είναι η σταθερά του Faraday, ή το ποσό του φορτίου που αντιστοιχεί σε ένα mol ηλεκτρονίων. Για τον υπολογισμό της τάσης της κυψέλης καυσίμου, λειτουργούμε με βάση το παρακάτω σκεπτικό: To ηλεκτρικό έργου (ή αλλιώς η ηλεκτρική ενέργειας) που απαιτείται για τη μεταφορά των ηλεκτρονίων από το ηλεκτρικό κύκλωμα, δίνεται από τη σχέση: Ηλεκτρικό έργο = φορτίο x διαφορά δυναμικού = -2FV FC (9-89)

30 όπου V FC είναι η τάση της κυψέλης καυσίμου. Εφόσον θεωρούμε τη διεργασία αντιστρεπτή χωρίς απώλειες, το απαιτούμενο ηλεκτρικό έργο πρέπει να είναι ίσο με την ελεύθερη ενέργεια του Gibbs, δηλαδή: g f Ηλεκτρικό έργο = -2FV FC VFC = (Cb) (9-90) 2F Αυτή η σχέση είναι πολύ σημαντική και δίνει την ηλεκτρεγερτική δύναμη (electromotive force EMF) του ανοιχτού κυκλώματος της αντιστρεπτής κυψέλης καυσίμου. Επίσης, η σχέση αυτή υποθέτει μη αντιστρεψιμότητα, και τροφοδοσία καθαρού υδρογόνου και οξυγόνου σε συνθήκες σταθερής πίεσης 0.1MPa. Στη πράξη η τάση που υπολογίζεται είναι μικρότερη από τον παραπάνω τύπο, λόγω απωλειών (που θα αναλύσουμε στη συνέχεια της Παραγράφου) γιατί η μη αντιστρεψιμότητα είναι πρακτικά ανέφικτη. Η παραπάνω σχέση, υπολογίζει την τάση ενός ανοιχτού κυκλώματος για τη κυψέλη καυσίμου υδρογόνου. Στην περίπτωση χρήσης καυσίμου υδρογόνου παράγονται 2 ηλεκτρόνια στην άνοδο που μεταφέρονται μέσω εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος. Αν γενικεύσουμε την παραπάνω σχέση για περιπτώσεις χρησιμοποίησης διαφορετικού καυσίμου, με βάση το οποίο έχουμε διαφορετική παραγωγή ηλεκτρονίων, τότε μπορούμε κατά αντίστοιχο τρόπο να υπολογίσουμε την τάση ανοιχτού κυκλώματος. Η σχέση είναι: g f VFC = (Cb) (9-91) zf όπου z ο αριθμός των ηλεκτρονίων που παράγονται κατά αντιστοιχία με το δεδομένο καύσιμο Η τάση ανοιχτού κυκλώματος της κυψέλης καυσίμου μειώνεται γραμμικά με την αύξηση της θερμοκρασίας, όπως περιγράφηκε από τους παραπάνω τύπους, (Σχήμα 9.28). Σχήμα 9.28: Τάση ανοικτού κυκλωματος συναρτήση της θερμοκρασίας Η ιδανική τάση που αναπτύσσεται στα άκρα της κυψέλης καυσίμου που χρησιμοποιεί υδρογόνο, σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας είναι, 1.229V, εάν το παραγόμενο νερό είναι σε υγρή μορφή, ή 1.18V, αν το παραγόμενο νερό είναι αέριο. Η τάση ανοιχτού κυκλώματος επηρεάζεται επίσης και από τη συγκέντρωση των αντιδρώντων. Το μέγιστο δυναμικό επιτυγχάνεται όταν τα αντιδρώντα στην άνοδο και στη κάθοδο είναι χωρίς προσμίξεις. Όταν το σύστημα τροφοδοτείται με αέρα ή όταν στην άνοδο δεν έχουμε καθαρό υδρογόνο, το δυναμικό του κελιού μειώνεται. Όταν η κυψέλη λειτουργεί υπό φορτίο, η τάση ανοιχτού κυκλώματος (όπως υπολογίστηκε από το τύπο του Nerst) μειώνεται. Η συνολική πτώση οφείλεται στις απώλειες ενεργοποίησης, συγκέντρωσης, και ωμικές απώλειες που θα περιγραφούν στη συνέχεια. Η συμπεριφορά της κυψέλης είναι μη γραμμική, και η τάση μειώνεται ανάλογα με την αύξηση του ρεύματος, (Σχήμα 9.29). Η μορφή της καμπύλης προκύπτει από τη σύνθεση των απωλειών εντός της κυψέλης, και παριστάνει τη σχέση: V = V ΔV (9-92) loss FC FC,th όπου V FC και VFC, th είναι η πραγματικά και η θεωρητικά παραγόμενη διαφορά δυναμικού, αντίστοιχα, ενώ ΔV είναι το σύνολο των απωλειών τάσης. Η καμπύλη αυτή είναι ουσιαστικά η «χαρακτηριστική» αυτής της τεχνολογίας, αντιπροσωπεύοντας την απόδοση των σύνθετων φαινομένων και των παραγόντων που τα επηρεάζουν εντός της κυψέλης. loss Σχήμα 9.29 : Καμπύλη τάσης ρεύματος κυψέλης καυσίμου

31 Από τη γραφική παράσταση παρατηρούμε ότι για μηδενικό ρεύμα, η τάση είναι η ιδανική τάση του ανοιχτού κυκλώματος. Με την αύξηση του ρεύματος, επικρατούν διάφορα φυσικοχημικά φαινόμενα απωλειών που οδηγούν στη μείωση της τάσης ανοιχτού κυκλώματος. Όπως φαίνεται από τη καμπύλη κάθε κυψέλη καυσίμου έχει ένα κατώτατο όριο τάσης περίπου 0.5V, κάτω από την οποία η κυψέλη υποφέρει από έλλειψη καυσίμου και καταστρέφεται. Στη μόνιμη λειτουργία η ΡΕΜ κυψέλη καυσίμου λειτουργεί στη γραμμική περιοχή. Το έργο σε μία κυψέλη καυσίμου, είναι η κίνηση των ηλεκτρονίων μέσω του εξωτερικού κυκλώματος της κατανάλωσης. Κατά την παραγωγή ισχύος από τις κυψέλες, ηλεκτρόνια οδεύουν μέσω εξωτερικού κυκλώματος προς την κατανάλωση, ιόντα «ρέουν» στον ηλεκτρολύτη και αντιδρώντες ύλες τροφοδοτούνται στα ηλεκτρόδια. Όπως σε κάθε διεργασία, έτσι και στις κυψέλες καυσίμου, αντιστάσεις που συνδέονται τόσο με φαινόμενα μεταφοράς μέσα στην κυψέλη όσο και με διαφόρων μορφών ηλεκτρικών αντιστάσεων, έχουν ως αποτέλεσμα το παραγόμενο δυναμικό να είναι χαμηλότερο από το θεωρητικά δυνατό. Επιπλέον ένα μέρος της χημικής ενέργειας των αντιδρώντων υλών μετατρέπεται σε θερμότητα λόγω του αναντιστρεπτού των μεταβολών. Η ισχύς που παράγεται από κάθε κυψέλη είναι το γινόμενο της διαφοράς δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων και του παραγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος δηλαδή: Ρ = VI (9-93) όπου V σε Volts, Ι σε Amps και Ρ σε Watt. Ειδικότερα η ένταση Ι, εκφράζεται συχνά ανηγμένη στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, δηλαδή σε ma/cm 2. Μία τυπική κυψέλη παράγει τάση της τάξεως του 0.7V, τιμή που εξαρτάται από πολλούς παράγοντες και πρωτίστως από το σημείο λειτουργίας και το σχεδιασμό της κυψέλης. Ο λόγος παραγόμενου δυναμικού προς τη θεωρητική τιμή ισούται με 1/1.48 και αποτελεί μία ένδειξη της ηλεκτρικής απόδοσης της κυψέλης. Η τιμή αυτή αναφέρεται στην ανώτερη θερμογόνο δύναμη, συνυπολογίζοντας δηλαδή τη λανθάνουσα θερμότητα ατμοποίησης του νερού. Κατά τη λειτουργία ενός κελιού καυσίμου το δυναμικό που εν τέλει αποδίδει ένα κελί που βρίσκεται υπό σταθερό φορτίο, είναι αρκετά μικρότερο από αυτό που προκύπτει από το νόμο του Nernst. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μέσα στο κελί λαμβάνουν χώρα κάποιες μη αντιστρεπτές διεργασίες, οι οποίες και αποτελούν τις συνολικές απώλειες δυναμικού σε ένα κελί σε λειτουργία. Οι απώλειες αυτές συνοπτικά είναι οι εξής: Απώλειες ενεργοποίησης (Activation losses): Επικρατούν κυρίως στην περιοχή μικρών πυκvoτήτων ρεύματος και οφείλονται στον χαμηλό ρυθμό των αντιδράσεων εντός της κυψέλης Ωμικές απώλειες (Ohmnic losses): Επικρατούν στην μεγαλύτερη περιοχή της χαρακτηριστικής καμπύλης, και οφείλονται τόσο στην αντίσταση του ηλεκτρολύτη στην διακίνηση των ιόντων, όσο και την αντίσταση των ηλεκτροδίων στην ροή των ηλεκτρονίων. Απώλειες λόγω συγκεντρώσεως των αντιδρώντων ρευμάτων (Concentration losses): Επικρατούν σε όλη την περιοχή, αλλά κυρίως στις υψηλές πυκνότητες ρευμάτων. Οφείλονται στην μη σωστή κατανομή των αντιδρώντων ρευμάτων στις επιφάνειες αντίδρασης. Οι απώλειες αυτές εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες όπως πίεση, θερμοκρασία, σχεδιασμός κυψέλης, κατανομή καταλύτη, υλικά κ.α. Πρέπει να αναφερθεί στο σημείο αυτό ότι η ολική χαρακτηριστική ενός συστήματος προκύπτει από τη σύνθεση των χαρακτηριστικών των υποσυστημάτων του (επεξεργαστής καυσίμου, σύστημα υπερπλήρωσης, συστήματα διαχείρισης της παραγόμενης ισχύος κ.λπ.). Επισημαίνεται, αναφερόμενοι στο παραπάνω διάγραμμα, ότι για μία μεγάλη περιοχή πυκνότητων ρεύματος (και κατ' επέκταση φορτίου), η παραγόμενη τάση παραμένει σταθερή άρα και ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης της κυψέλης. Αυτό αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα της τεχνολογίας έναντι των άλλων ενεργειακών μηχανών (μηχανές εσωτερικής καύσεως, υδροδυναμικές μηχανές κ.α) όπου η περιοχή λειτουργίας υψηλής απόδοσης είναι περιορισμένη. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, εκτός από ηλεκτρική ενέργεια παράγεται και θερμότητα. Η ισχύς της θερμότητας αυτής, ισούται με τη διαφορά της παραγόμενης διαφοράς δυναμικού από τη θεωρητική τιμή επί την ένταση του ρεύματος, δηλαδή: P = E V (9-94) όπου th ( ) I th V oper είναι η διαφορά δυναμικού λειτουργίας, και δίνεται από τη σχέση: V = V V + V + V (9-95) oper oper oper ( ) Στις περισσότερες περιπτώσεις το άλλο παραπροϊόν, δηλαδή το νερό, είναι σε μορφή ατμού και επομένως η θεωρητική τάση λαμβάνει την τιμή 1.23V για τον υπολογισμό της παραγόμενης θερμότητας (κατώτερη θερμογόνος δύναμη). Η ολική ηλεκτρική απόδοση της κυψέλης ισούται με το λόγο της παραγόμενης ενέργειας προς την θερμογόνο δύναμη του υδρογόνου που καταναλώνεται. Αντίστοιχα, η μέγιστη δυνατή θερμοδυναμική απόδοση της κυψέλης είναι ο λόγος της διαφοράς της ενέργειας του Gibbs προς τη θερμογόνο δύναμη του Η 2. Η μεταβολή αυτή της ενέργειας του Gibbs, μειώνεται αυξανομένης της θερμοκρασίας, διότι το παραγόμενο νερό περιέχει ένα σημαντικό ποσό αισθητής θερμότητας που δεν μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρισμό χωρίς τη χρήση ενός επιπλέον θερμοδυναμικού κύκλου ηλεκτροπαραγωγής (ατμοστρόβιλος, αεριοστρόβιλος). Επομένως, η μέγιστη (δηλαδή το όριο, η δυνατότητα) απόδοση των κυψελών καυσίμου μειώνεται αυξανομένης της θερμοκρασίας. Το act ohm conc

32 Σχήμα 9.30 δείχνει τη μείωση της απόδοσης αυξανομένης της θερμοκρασίας στις κυψέλες καυσίμου, αντίθετα όπως είναι γνωστό από τις θερμικές μηχανές που υπακούουν ιδανικά τον κύκλο Carnot. Σχήμα 9.30: Μέγιστος θεωρητικός ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης συναρτήσει της θερμοκρασίας λειτουργίας, πηγή Τεχνολογίες Κυψελών Καυσίμου Η διάκριση των κυψελών καυσίμου γίνεται με βάση τρία ανεξάρτητα μεταξύ τους κριτήρια: Το χρησιμοποιούμενο ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται σε κάθε περίπτωση, που είναι και το κύριο κριτήριο γιατί αυτός καθορίζει το είδος της χημικής αντίδρασης που πραγματοποιείται μες στη κυψέλη, το είδος του καταλύτη που απαιτείται, τη θερμοκρασία λειτουργίας, τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται καθώς και άλλους παράγοντες. Τα χαρακτηριστικά αυτά καθορίζουν τις εφαρμογές για τις οποίες μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο κάθε τύπος κυψέλης. Διακρίνονται 6 διαφορετικά είδη κελιών καυσίμου: 1. Αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (Alkaline Fuel Cells, AFC) 2. Κυψέλες μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEFC) ή κυψέλες καυσίμου στερεών πολυμερών ηλεκτρολυτών (SPFC). 3. Κυψέλες καυσίμου άμεσης μεθανόλης (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC). 4. Κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). 5. Κυψέλες τηγμένου ανθρακικού άλατος (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC). 6. Κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (Solid Oxide Fuel Cells SOFC). Τη θερμοκρασία λειτουργίας. 1. Χαμηλής θερμοκρασίας είναι οι AFC, PEMFC και οι DMFC. Οι κυψέλες καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας, χρησιμοποιούν ως καύσιμο καθαρό υδρογόνο. Η παρουσία μονοξειδίου του άνθρακα (CO) και αερίων που περιέχουν θείο (S) στην ροή του καυσίμου, προκαλούν την καταστροφή της ανόδου και υποβάθμιση της λειτουργίας της κυψέλης. 2. Μεσαίας θερμοκρασίας είναι οι PAFC. Στις κυψέλες καυσίμου χαμηλής πίεσης, τα αρχικά φορτία είναι είτε πρωτόνια (θετικό φορτίο), είτε ιόντα υδροξυλίου (αρνητικό φορτίο), ενώ στις κυψέλες υψηλής πίεσης τα αρχικά φορτία είναι ιόντα άνθρακα και όξινα ιόντα. 3. Υψηλής θερμοκρασίας είναι οι SOFC και οι MCFC. Στις κυψέλες καυσίμου υψηλών θερμοκρασιών, μια ευρύτερη ποικιλία καυσίμων μπορεί να χρησιμοποιηθεί επειδή, αφ' ενός μεν η χημική διεργασία στο ηλεκτρόδιο είναι εντονότερη, αφ' ετέρου δε η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας μειώνει την ανάγκη ηλεκτροκαταλυτικής δράσης. Επίσης σε αυτές τις κυψέλες, λόγω της υψηλής θερμοκρασίας λειτουργίας, η επεξεργασία του καυσίμου μπορεί να γίνει εσωτερικά στην κυψέλη και έτσι μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας άλλα καύσιμα που περιέχουν υδρογονάνθρακες. Η θερμοκρασία λειτουργίας της MCFC, καθορίζεται από το σημείο τήξεως του ηλεκτρολύτη, ενώ η θερμοκρασία λειτουργίας της SOFC, καθορίζεται από την ιοντική αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη. Στον Πίνακα 9.7 φαίνονται τα αντιδρώντα, τα προϊόντα και το μεταφερόμενο ιόν μέσα από τον ηλεκτρολύτη, για διαφόρους τύπους κυψελών καυσίμου. Πίνακας 9.7: Συνοπτικός πίνακας των αντιδράσεων που πραγματοποιούνται σε κάθε τύπο κυψέλης καυσίμου. Κυψέλη καυσίμου Αντίδραση ανόδου Μεταφερόμενο ιόν Αντίδραση καθόδου AFC Η Η - 2Η 2Ο + 2e - ΟΗ - Ο 2 + 2H 2Ο + 4e - 4ΟH - PEMFC Η 2 2H 2 + 2e- Η Η + 2H 2Ο DMFC CH 3ΟH + H 2Ο CO 2 + 6Η + + 6e - Η + Ο 2 + 4Η + +4e - 2H 2Ο PAFC Η 2 2Η 2 + 2e - Η + Ο 2 + 4Η+ 2H 2Ο MCFC -2 Η 2 + CO 3 H 2Ο +2e - -2 CO 3-2 Ο2 + 2C e- CΟ 3 SOFC Η 2 +Ο -2 H 2Ο + 2e -, CO + Ο 2 CΟ 2 +2e - Ο -2 Ο 2 + e - 2Ο -2 Σημείωση: Στον τύπο AFC, το νερό σχηματίζεται στην άνοδο, αλλά χρειάζεται για την αντίδραση στην κάθοδο. Στον τύπο MCFC, το CO2, χρειάζεται για την αντίδραση στην κάθοδο και πρέπει να επανακυκλοφορήσει από την άνοδο.

33 Στο Σχήμα 9.31 παρουσιάζεται το καύσιμο στην άνοδο και στη κάθοδο για τα είδη των κυψελών καυσίμου που αναλύονται στη συνέχεια καθώς και το ιόν που μεταφέρεται δια μέσου του ηλεκτρολύτη. Σχήμα 9.31: Συνοπτικό διάγραμμα κυψελών καυσίμου Αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (Alkaline Fuel Cells, AFC) Η δομή και η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου φαίνεται στο Σχήμα Στον Πίνακα 9.7 αναφέρονται οι επιμέρους αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στην άνοδο και στην κάθοδο ενώ στον Πίνακα 9.8 κωδικοποιούνται τα βασικά χαρακτηριστικά της τεχνολογίας. Σχήμα 9.32 Δομή και η λειτουργία της αλκαλικής κυψέλης Οι κυψέλες αυτού του τύπου χρησιμοποιούν διάλυμα υδροξειδίου του καλίου (ΚΟΗ), ως ηλεκτρολύτη και μπορούν να χρησιμοποιήσουν μια ποικιλία πολύτιμων ή μη, μετάλλων ως καταλύτες στην άνοδο και την κάθοδο. Έτσι στην άνοδο ο καταλύτης μπορεί να είναι από νικέλιο (Νi) ή λευκόχρυσο (Pt), ενώ στην κάθοδο ο καταλύτης είναι από λευκόχρυσο (Pt) ή οξείδια του νικελίου. Η συνολική χημική αντίδραση της κυψέλης είναι ακριβώς ίδια με την αντίδραση που πραγματοποιείται στη ΡΕΜ κυψέλη με τη διαφορά ότι πραγματοποιούνται διαφορετικές επιμέρους αντιδράσεις για το κάθε ηλεκτρόδιο. Στην κάθοδο το οξυγόνο αντιδρά με τα ηλεκτρόνια που έρχονται από την άνοδο και μαζί με το νερό, σχηματίζουν ανιόντα υδροξυλίου. Τα ανιόντα υδροξυλίου περνούν μέσα από τον ηλεκτρολύτη από την κάθοδο στην άνοδο. Στην άνοδο το υδρογόνο αντιδρά με τα ανιόντα υδροξυλίου απελευθερώνοντας ενέργεια και ηλεκτρόνια παράγοντας παράλληλα νερό. Μεταξύ των αντιδράσεων στην άνοδο και την κάθοδο, η αντίδραση της καθόδου είναι η πιο αργή, αφού χρειάζεται περισσότερος χρόνος για να πραγματοποιηθεί, από αυτή της ανόδου. Συγκρίνοντας τις παραπάνω αντιδράσεις προκύπτει ότι όπως και με τη περίπτωση της ΡΕΜ κυψέλης με όξινο ηλεκτρολύτη, απαιτείται διπλάσια ποσότητα υδρογόνου σε σχέση με το οξυγόνο. Επίσης παρόλο που το νερό καταναλώνεται στη κάθοδο, δημιουργείται με διπλάσια ταχύτητα στην άνοδο (μια και οι αντίδραση στην άνοδο πραγματοποιείται σε μικρότερο χρόνο). Παρόλα αυτά στην αλκαλική κυψέλη καυσίμου, η αντίδραση στο ηλεκτρόδιο της καθόδου, πραγματοποιείται πολύ πιο γρήγορα από ότι στους άλλους τύπους κυψελών, με αποτέλεσμα η τάση λειτουργίας κάθε κυψέλης να φτάνει τα 0.875V, αρκετά υψηλότερη από τις υπόλοιπες κυψέλες καυσίμου.

34 Όπως και στις ΡΕΜ, η χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας, συνήθως μεταξύ C, τους δίνει το πλεονέκτημα της γρήγορης εκκίνησης. Λόγω όμως αυτής της χαμηλής θερμοκρασίας λειτουργίας, είναι ζωτικής σημασίας οι μέθοδοι απομάκρυνσης του νερού και της θερμότητας. Το προτιμώμενο καύσιμο είναι καθαρό υδρογόνο. Το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) θεωρείται δηλητήριο για τον καταλύτη αφού έστω και παραμικρή ποσότητα, διοξειδίου του άνθρακα θα αντιδράσει με το υδροξείδιο του καλίου (ΚΟΗ) και θα μεταβάλλει τη σύσταση του ηλεκτρολύτη. Υπάρχουν και ορισμένες AFC που χρησιμοποιούν στερεό άνθρακα ως καύσιμο (DCFC). Οι προβλεπόμενες ώρες λειτουργίας της είναι > ώρες. Σημαντικό πλεονέκτημα είναι η απόδοσή τους που αγγίζει το 70% Το παραγόμενο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πόσιμο, ειδικά σε εφαρμογές όπου ο όγκος και το βάρος πρέπει να ελαχιστοποιούνται. Ένα από τα μεγαλύτερα μειονεκτήματα είναι η ευαισθησία της στο CO 2. Έτσι η αλκαλική κυψέλη καυσίμου, δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει ατμοσφαιρικό αέρα, για την παροχή του απαραίτητου O 2 στην κάθοδο. Χρειάζεται ειδικό σύστημα, το οποίο να απομακρύνει το CO 2 από την εισαγωγή του αέρα. Η χρήση διαβρωτικού ηλεκτρολύτη είναι ένα ακόμα μειονέκτημα. Ο ηλεκτρολύτης διαβρώνει τα υλικά γύρω του, με αποτέλεσμα την μείωση της διάρκειας ζωής της κυψέλης και την αύξηση του κόστους της. Στην αύξηση του κόστους της συντελεί και η χρήση ακριβού καταλύτη όπως ο λευκόχρυσος. Οι αλκαλικές κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται σε διαστημικές εφαρμογές της Nasa, καθώς επίσης σε στρατιωτικές εφαρμογές. Σε σχέση με τις PAFC, είναι ελκυστικότερες για χρήση στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Αυτό οφείλεται στη δυνατότητα της χρησιμοποίησης λιγότερο ακριβού καταλύτη, όπως το νικέλιο στην άνοδο και το οξείδιο του νικελίου στην κάθοδο. Όσο οι αλκαλικές κυψέλες καυσίμου, απαιτούν για την λειτουργία τους καθαρό υδρογόνο και οξυγόνο, δεν μπορεί να γίνει ευρεία χρήση τους σε μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Κυψέλες μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEΜFC) ή κυψέλες καυσίμου στερεών πολυμερών ηλεκτρολυτών (SPFC) Η δομή και η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου φαίνεται στο Σχήμα 9.33 Στον Πίνακα 9.7 αναφέρονται οι επιμέρους αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στην άνοδο και στην κάθοδο ενώ στον Πίνακα 9.8 κωδικοποιούνται τα βασικά χαρακτηριστικά της τεχνολογίας. Σχήμα 9.33: Δομή και η λειτουργία της κυψέλης μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων Η λειτουργία αυτών των κυψελών καυσίμων περιγράφηκε εκτενώς στην Παράγραφο Ο τύπος αυτός χρησιμοποιεί στερεό ηλεκτρολύτη πολυμερικής φύσεως και λειτουργεί στους 80 C και σε πιέσεις 1-4atm. Είναι αναγκαίο η μεμβράνη να διατηρείται υγρή για την εξασφάλιση αγωγιμότητας των ιόντων, και επομένως οι θερμοκρασίες να διατηρούνται κάτω από το σημείο ατμοποίησης δηλαδή τους 100 C (για πίεση 1atm). Ο πολυμερής ηλεκτρολύτης όπως το Nafion, είναι κατασκευασμένος σαν μια μεμβράνη πάχους περίπου 175μm και έχει την όψη ενός καθαρού χαρτιού περιτυλίγματος από σελοφάν. Όταν έχει την κατάλληλη υγρασία, άγει τα θετικά ιόντα (πρωτόνια υδρογόνου) και μπλοκάρει τα αρνητικά. Λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας λειτουργίας, ο καταλύτη ς πρέπει να είναι από λευκόχρυσο (Pt). Ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης της κυψέλης είναι αρκετά υψηλός, 50-60% (συγκριτικά και με τις θερμικές μηχανές) και η τεχνολογία αυτή παρουσιάζει τη μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος από όλους τους άλλους τύπους καθώς και εξαιρετικά δυναμικά χαρακτηριστικά, με κυριότερα τον μικρό χρόνο εκκίνησης λειτουργίας, τον υψηλό βαθμό απόδοσης σε μεγάλη περιοχή φορτίων και τη δυνατότητα γρήγορης μεταβολής της ισχύος εξόδου. Η θερμοκρασία λειτουργίας είναι μεταξύ των C και η πίεση ατμοσφαιρική ή λίγο μεγαλύτερη. Η πυκνότητα ισχύος είναι W/cm 2. Η προβλεπόμενη διάρκεια ζωής της είναι περισσότερο από ώρες. Το καύσιμο είναι καθαρό υδρογόνο, αλλά με τη χρήση εξωτερικού αναμορφωτή καυσίμου, μπορούν να χρησιμοποιήσουν φυσικό αέριο ή βενζίνη. Η χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας καθιστά ωστόσο αναγκαία τη

35 χρήση ευγενών (ακριβών) καταλυτών και η μικρή ανοχή σε ρύπους έχει ως αποτέλεσμα μια ιδιαίτερα σύνθετη επεξεργασία των καυσίμων, ακόμη και όταν πρόκειται για σχετικά «καθαρά» καύσιμα όπως το φυσικό αέριο. Πλεονέκτημα της PEM, είναι η υψηλή πυκνότητα ισχύος. Έχει τη μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος από όλους τους τύπους κυψελών, με εξαίρεση ίσως την αλκαλική κυψέλη καυσίμου. Η χρήση στερεού ηλεκτρολύτη, μειώνει τη διάβρωση που υφίστανται τα υλικά και επιπλέον δεν απαιτείται ειδική διαχείριση των υγρών, που είναι απαραίτητη όταν υπάρχουν υγροί ηλεκτρολύτες. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι η μικρή θερμοκρασία λειτουργίας. Λόγω αυτού του χαρακτηριστικού, υπάρχει η δυνατότητα της γρήγορης εκκίνησης, κάνοντας τις ΡΕΜ κατάλληλες για εφαρμογή στα ηλεκτρικά οχήματα. Ελκυστικό χαρακτηριστικό είναι επίσης η μεγάλη διάρκεια ζωής. Η χρήση του λευκόχρυσου ως καταλύτη είναι από τα μεγαλύτερα μειονεκτήματα της κυψέλης καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, λόγω του μεγάλου κόστους του πολύτιμου μετάλλου. Βέβαια η ποσότητα του λευκόχρυσου που απαιτείται, μειώθηκε ραγδαία την τελευταία δεκαετία, αλλά χρειάζεται περεταίρω έρευνα έτσι ώστε οι ΡΕΜ να γίνουν ανταγωνιστικές. Η χρήση καθαρού Η 2 είναι απαραίτητη, όπως και στην περίπτωση των ΡAFC, καθώς η ύπαρξη έστω και μικρής ποσότητας CO στην τροφοδοσία δηλητηριάζει το ηλεκτρόδιο με δραματικές επιπτώσεις στην απόδοση της κυψέλης. Αν και οι πρώτες εκδοχές της ΡΕΜ, όπως χρησιμοποιήθηκαν σε διαστημικές και στρατιωτικές εφαρμογές η κύρια χρήση τους φαίνεται πως θα είναι στην αυτοκινητοβιομηχανία (υβριδικά αυτοκίνητα) λόγω της ικανότητας τους να εκκινούν κρύες δηλαδή χωρίς προθέρμανση και η ικανότητα τους να προσαρμόζονται σε γρήγορες αυξομειώσεις στην απαίτηση ισχύος. Βρίσκει επίσης χρήση σε οικιακές (κινητά τηλέφωνα, υπολογιστές, βιντεοκάμερες,) και βιομηχανικές εφαρμογές (η γρήγορη απόκριση που έχουν μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπιση αιχμών στο δίκτυο, χωρίς περαιτέρω ενίσχυση αυτού). Οι μικρότερες μονάδες, είναι κατάλληλες να αντικαταστήσουν τους συσσωρευτές στους φορητούς υπολογιστές. Η χαμηλή ποιότητα της παραγόμενης θερμότητας περιορίζει τις δυνατότητες συμπαραγωγής. Κυψέλες καυσίμου άμεσης μεθανόλης (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC) Η δομή και η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου φαίνεται στο Σχήμα 9.34 Στον Πίνακα 9.7 αναφέρονται οι επιμέρους αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στην άνοδο και στην κάθοδο ενώ στον Πίνακα 9.8 κωδικοποιούνται τα βασικά χαρακτηριστικά της τεχνολογίας. Σχήμα 9.34: Δομή και η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου άμεσης μεθανόλης Είναι υβρίδιο της ΡΕΜ, αλλά αντί υδρογόνο, χρησιμοποιεί ως καύσιμο μεθανόλη σε υγρή μορφή, χωρίς να απαιτεί τη μετατροπή της σε υδρογόνο. Η κατηγορία αυτή είναι πιο πρόσφατη των κυψελίδων ΡΕΜ με αρκετά ακόμα προβλήματα προς επίλυση όπως η μεγάλη ποσότητα καταλύτη όπου απαιτείται. Ωστόσο, εάν η συγκεκριμένη τεχνολογία επρόκειτο να χρησιμοποιηθεί στη θέση των ΡΕΜ κυψελών δε θα υπήρχε η ανάγκη αναζήτησης εναλλακτικών τρόπων αποθήκευσης του καυσίμου όπως γίνεται στη δεύτερη περίπτωση με το υδρογόνο ενώ δε θα ήταν αναγκαία και η ανάπτυξη αναμορφωτών. Ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται και στην είναι ΡΕΜ, αλλά έχει μεγαλύτερο πάχος. Ο καταλύτης στην άνοδο, είναι διμεταλλικός από λευκόχρυσο (Pt) και στη κάθοδο λευκόχρυσος. Στην άνοδο, ο καταλύτης από μόνος του έλκει το υδρογόνο από το υγρό μεθάνιο. Ο καταλύτης στην άνοδο είναι διμεταλλικός από λευκόχρυσο και στη κάθοδο λευκόχρυσος. Η θερμοκρασία λειτουργίας της είναι μεταξύ C, σε ατμοσφαιρική πίεση και δίνει πυκνότητα ισχύος W/cm 2. Η προβλεπόμενη διάρκεια ζωής είναι >10,000h. Στην άνοδο η μεθανόλη διασπάται και με το νερό, δίνει διοξείδιο του άνθρακα, πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Παρατηρούμε ότι απαιτείται η ύπαρξη νερού στην άνοδο, παρόλο που στην κάθοδο αυτό παράγεται πολύ πιο γρήγορα. Έτσι ενώ το καύσιμο είναι καθαρή μεθανόλη, θα πρέπει να αποθηκεύεται νερό στην κυψέλη και να προστίθεται στη μεθανόλη στην άνοδο. Στην κάθοδο, το οξυγόνο ενώνεται με τα πρωτόνια που έρχονται από την άνοδο μέσω του ηλεκτρολύτη και τα ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα και παράγεται νερό. Η συνολική αντίδραση είναι: CH 3ΟH + 3Ο 2 2CO 2 + 4Η 2Ο. Η DMFC έχει παρόμοια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα με την ΡΕΜ. Δεν χρειάζεται όμως αναμορφωτή για τη λειτουργία της, γεγονός που μειώνει το κόστος. Η μεθανόλη είναι το απλούστερο οργανικό καύσιμο, το οποίο πολύ οικονομικά και αποδοτικά μπορεί να παραχθεί σε μεγάλη κλίμακα, από καύσιμα όπως το

36 κάρβουνο και το φυσικό αέριο. Είναι υγρό καύσιμο και είναι πολύ εύκολη η αποθήκευση η διανομή της, ιδιαίτερα σε εφαρμογές όπως τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, τομείς όπου το υδρογόνο πάσχει. Το σημαντικότερο μειονέκτημα οφείλεται στην αργή αντίδραση της ανόδου, όπου η οξείδωση της μεθανόλης, είναι πολυπλοκότερη από αυτή του υδρογόνου και πραγματοποιείται πολύ αργά. Αυτό έχει αποτέλεσμα η ισχύς να είναι πολύ μικρή, σε σχέση με το μέγεθος της κυψέλης. Η DMFC είναι κατάλληλη για εφαρμογή σε ηλεκτρονικές συσκευές, όπου χρειάζεται μικρή ισχύς και μεγάλη διάρκεια λειτουργίας, όπως τα κινητά τηλέφωνα, τους φορητούς υπολογιστές, τις φωτογραφικές μηχανές. Η αντικατάσταση των μπαταριών λιθίου, είναι ο κύριος στόχος τους, αφού επαναφορτίζονται πολύ πιο γρήγορα, απλά βάζοντας λίγη μεθανόλη, μέσα στη συσκευή. Για να εφαρμοστεί στον τομέα των ηλεκτρικών οχημάτων, θα πρέπει να αυξηθεί η πυκνότητα ισχύος της και να μειωθεί το κόστος της. Κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC) Η δομή και η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου φαίνεται στο Σχήμα 9.35 Στον Πίνακα 9.7 αναφέρονται οι επιμέρους αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στην άνοδο και στην κάθοδο ενώ στον Πίνακα 9.8 κωδικοποιούνται τα βασικά χαρακτηριστικά της τεχνολογίας. Σχήμα 9.35: Δομή και η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου φωσφορικού οξέος Οι PAFC είναι ο παλαιότερος τύπος κυψελών καυσίμου, ενώ θεωρείται σήμερα ο πιο ανεπτυγμένος τύπος κυψέλης καυσίμου. Ο ηλεκτρολύτης είναι πυκνό φωσφορικό οξύ επιτρέποντας τη λειτουργία της κυψέλης σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες περίπου 200 C σε πιέσεις 1-4atm. Η ηλεκτρική ισχύς της κυψέλης είναι 55% και η ανοχή σε ρύπους είναι μεγαλύτερη με αποτέλεσμα την πιο απλή επεξεργασία του καυσίμου. Χρησιμοποιούνται και στον τύπο αυτό ευγενείς καταλύτες αυξάνοντας σημαντικά το κόστος, δεδομένου ότι η πυκνότητα ισχύος είναι πολύ μικρότερη απ' ότι στις πολυμερικές κυψέλες. Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που χαρακτηρίζουν αυτόν τον τύπο είναι ίδιες με αυτής της ΡΕΜ κυψέλης. Για ηλεκτρολύτη χρησιμοποιεί το φωσφορικό οξύ λόγω της ανοχής της στο CO 2 που βρίσκεται στο καύσιμο και στο οξειδωτικό μέσο. Επιπλέον είναι σταθερό κατά τη λειτουργία της κυψέλης σε υψηλές θερμοκρασίες και έχει μεγάλη αγωγιμότητα σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 150 C,. Το φωσφορικό οξύ είναι άχρωμο παχύ ρευστό υγρό. Χρησιμοποιείται στις κυψέλες καυσίμου από το 1980 και έχει σημείο πήξεως στους 42 C. Για την προστασία της κυψέλης καυσίμου από το ψύχος θα πρέπει η θερμοκρασία να διατηρείται πάνω από αυτό το όριο. Το φωσφορικό οξύ πλαισιώνεται από πορώδες ανθρακικό υλικό, το οποίο είναι καλυμμένο με Teflon, που το συγκρατεί, κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων, διευκολύνει την παροχή των αερίων στις επιφάνειες αντίδρασης, αλλά και την διαφυγή τους από τον ηλεκτρολύτη. Οι θερμοκρασίες λειτουργίας του βρίσκονται στην περιοχή των C και ανήκουν στις μέσης θερμοκρασίας κυψέλες καυσίμου. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες το φωσφορικό οξύ γίνεται κακός ιοντικός αγωγός και το μονοξείδιο του άνθρακα CO το οποίο σχηματίζεται πάνω στον καταλύτη δηλητηριάζει την άνοδο ρίχνοντας πάρα πολύ την απόδοση. Ωστόσο τα επίπεδα ανοχής της συγκέντρωσης του CO είναι τέτοια ώστε να επιτρέπει περισσότερα είδη καυσίμων για τη τροφοδότηση του. Στην περίπτωση της συμβατικής βενζίνης ωστόσο πρέπει να απομακρυνθούν τα σουλφίδια. Η θερμοκρασία λειτουργίας της PAFC είναι διπλάσια από ότι της ΡΕΜ. Η υψηλή αυτή θερμοκρασία είναι αναγκαία λόγω του νερού που παράγεται ως παραπροϊόν. Εάν η θερμοκρασία ήταν χαμηλότερη, αυτό θα διαλυόταν στον ηλεκτρολύτη. Έτσι η θερμοκρασία πρέπει να είναι αρκετά υψηλή έτσι ώστε το νερό να εξέρχεται της κυψέλης υπό μορφή ατμού. Η θερμοκρασία δεν μπορεί να είναι υπερβολικά υψηλή καθώς το φωσφορικό οξύ αποσυντίθεται μετά τους 210 C. Πορώδη ηλεκτρόδια, καταλύτη από λευκόχρυσο (Pt), υψηλή θερμοκρασία της τάξης των, χρησιμοποιείται για να αυξήσουν την ταχύτητα της ηλεκτροχημικής αντίδρασης σε επιθυμητά επίπεδα. Το πρόβλημα της παροχής με υδρογόνο επιλύεται χρησιμοποιώντας αναμορφωτή φυσικού αερίου (κυρίως μεθάνιο), σε υδρογόνο και

37 διοξείδιο του άνθρακα. Ο εξοπλισμός όμως που απαιτείται με τη προσθήκη του αναμορφωτή ανεβάζει κατακόρυφα το κόστος και το μέγεθος της κυψέλης καυσίμου. Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα της PAFC είναι η ανθεκτικότητά της στις ακαθαρισίες που υπάρχουν στο καύσιμο που παράγεται με αναμόρφωση των υδρογονανθράκων. Αυτός ήταν και ο λόγος για τον οποίο επιλέχτηκε η ουσιαστική ανάπτυξη της PAFC, στα πρώτα βήματα. Η ικανότητα λειτουργίας της με «ακάθαρτο» καύσιμο, την κάνει φθηνότερη από τους υπόλοιπους τύπους κυψελών καυσίμου, καθώς μειώνεται το κόστος του αναμορφωτή. Το μειωμένο κόστος επεξεργασίας του καυσίμου μειώνει με τη σειρά του το κόστος όλης της μονάδας PAFC και της δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιεί και άλλα καύσιμα, προερχόμενα είτε από τα αέρια των χωματερών (μεθάνιο, CH 4) είτε από εγκαταστάσεις βιολογικού καθαρισμού και επεξεργασίας λυμάτων. Σε μια τέτοια περίπτωση χρήσης κάποιου άλλου καυσίμου, η μοναδική αλλαγή που απαιτείται είναι μικρές προσαρμογές στο σύστημα επεξεργασίας και παροχής του καυσίμου. Ακόμα, η τεχνολογία γύρω από την PAFC είναι η πλέον ώριμη, σε επίπεδο ανάπτυξης και εμπορευματοποίησης. Ο συγκεκριμένος τύπος αναπτύσσεται για περισσότερο από 20 χρόνια. Έτσι, όπως και με τις αλκαλικές κυψέλες καυσίμου, το κόστος έχει μειωθεί ενώ η απόδοση αυξάνεται. Τα μειονεκτήματα των ΡAFC κυψελών καυσίμου, είναι το μεγάλο μέγεθος και βάρος, ο ακριβός καταλύτης όπου χρησιμοποιείται (λευκόχρυσος) ενώ το ρεύμα το οποίο παράγεται είναι χαμηλό και η ισχύς συγκρίσιμη με αυτή άλλων τύπων κυψελών καυσίμου. Μειονέκτημα της PAFC, όπως και στην ΡΕΜ, είναι η χρήση του πολύ ακριβού λευκόχρυσου ως καταλύτη, το οποίο αυξάνει το συνολικό κόστος. Η υψηλή θερμοκρασία είναι ταυτόχρονα και μειονέκτημα, καθώς υπάρχει περίοδος αναμονής, μέχρι η κυψέλη να ζεσταθεί και να λειτουργήσει σωστά. Τα συστήματα PAFC ανήκουν στις μέσης θερμοκρασίας κυψέλες καυσίμου. Είναι ο πιο εμπορικά ανεπτυγμένος τύπος κυψελών καυσίμου για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας (συμπαραγωγή μέσης ισχύος), σε κτίρια (όπως νοσοκομεία, ξενοδοχεία, σχολεία, αεροδρόμια) και μικρές βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Έχει ήδη χρησιμοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές, Η δυνατότητα συμπαραγωγής λόγω της λειτουργίας σε υψηλές θερμοκρασίες, κάνει την PAFC αποδοτικότερη από τις κυψέλες καυσίμου χαμηλών θερμοκρασιών. Από την άλλη, επειδή η PAFC παράγει σχετικά μικρή πυκνότητα ρεύματος και ισχύος και έχει μεγάλο μέγεθος. Οι κυψέλες αυτές είναι αρκετά μεγάλες και βαριές. Συνεπώς είναι η χρησιμοποίηση τους ενδείκνυται μόνο για μεγάλα οχήματα π.χ. λεωφορεία. Κυψέλες τηγμένου ανθρακικού άλατος (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) Η δομή και η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου φαίνεται στο Σχήμα Στον Πίνακα 9.7 αναφέρονται οι επιμέρους αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στην άνοδο και στην κάθοδο ενώ στον Πίνακα 9.8 κωδικοποιούνται τα βασικά χαρακτηριστικά της τεχνολογίας. Σχήμα 9.36: Δομή και η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου τηγμένου ανθρακικού άλατος Στις MCFC, ο ηλεκτρολύτης είναι συνήθως τήγμα αλκαλικού μετάλλου ανθρακικού άλατος (Li, Na, Κ), το οποίο συγκρατείται σε κεραμική μήτρα. Λειτουργεί σε θερμοκρασία C και πίεση 1-8atm. Σε αυτές τις θερμοκρασίες η εξαγωγή του Η 2 από το καύσιμο-φορέα μπορεί να γίνει εσωτερικά στην κυψελίδα, ενώ ιονίζεται, χωρίς τη χρήση καταλύτη, μειώνοντας έτσι το κόστος. Η άνοδος είναι κράμα νικελίου-χρωμίου και η κάθοδος οξείδιο του νικελίου. Έχουν την υψηλότερη ηλεκτρικά απόδοση κυψέλης (60-65%), ενώ παρουσιάζουν το πλεονέκτημα της εσωτερικής αναμόρφωσης με αποτέλεσμα τη μεγάλη ευελιξία ως προς της χρήση πολλών διαφορετικών (ακόμη και βαρέων πετρελαιοειδών) καυσίμων και την απουσία επεξεργαστή καυσίμου. Η παραγόμενη θερμότητα από το σύστημα είναι υψηλής ποιότητας (θερμοκρασία, πίεση) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε απλές αλλά και βιομηχανικές εφαρμογές συμπαραγωγής. Υπάρχει επίσης δυνατότητα για επιπλέον ηλεκτροπαραγωγή με χρήση

38 αεριοστρόβιλου, ατμοστροβίλου ή και συνδυασμένου κύκλου, όπου συμβάλλουν στη μείωση των εκπομπών. Μπορούν φυσικά να τροφοδοτηθούν απευθείας με μεθάνιο και μίγμα H 2 και CO χωρίς αναμόρφωση (reforming). Η επεξεργασία τους γίνεται στο εσωτερικό της κυψέλης. Παρόλα αυτά, αυτή η απλότητα του μηχανισμού αυτού αντισταθμίζεται από τη φύση του ηλεκτρολύτη, που είναι μια εύκολα διαβρώσιμη μίξη από Li, K και νιτρικά ανθρακικά άλατα. Αντίθετα με τις PEMFC οι κυψέλες καυσίμου, SOFC, MCFC, δε δηλητηριάζονται από το CO, λόγω της αρκετά υψηλής θερμοκρασίας λειτουργίας. Επειδή η αντίδραση οξείδωσης συμβαίνει στην άνοδο, άμεση χρήση του CO είναι πιθανό να χρειάζεται. Επίσης, ο ατμός που παράγεται από την αντίδραση οξείδωσης μπορεί να μετασχηματίσει το CO παράγοντας υδοκαρβονικά καύσιμα μέσα στην άνοδο. Αυτές οι αντιδράσεις μπορούν να χρησιμοποιήσουν τους ίδιους καταλύτες που χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροχημική αντίδραση, μειώνοντας την ανάγκη για εξωτερικό αναμορφωτή. Επειδή ο ηλεκτρολύτης χάνει μέρος του ανθρακικού άλατος, στην αντίδραση οξείδωσης, το μέρος αυτό πρέπει να ανανεωθεί με τη βοήθεια κάποιων μέσων. Αυτό επιτυγχάνεται με την επανακυκλοφορία CΟ 2 από τα προϊόντα της αντίδρασης, στη κάθοδο, όπου αντιδρά με τον εισερχόμενο αέρα, και μετασχηματίζει καρβονικό άλας. Αυτή η περίπτωση της κυψέλης καυσίμου, έχει το ενδιαφέρον χαρακτηριστικό να χρειάζεται CΟ 2 στον αέρα για να λειτουργήσει. Η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας της, σημαίνει ότι μια καλή αντίδραση επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ένα συγκριτικά φτηνό καταλύτη από Νi. Το Νi επίσης σχηματίζει την ηλεκτρική βάση του ηλεκτροδίου. Οι MCFC, έχουν το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό ότι για να λειτουργήσουν χρειάζονται οπωσδήποτε το CΟ 2 που περιέχεται στον αέρα. Επειδή λειτουργούν σε υψηλή θερμοκρασία μπορούν, όπως και οι SOFC, να αναμορφώσουν εσωτερικά τα αέρια όπως το μεθάνιο, το οποίο συνδυάζουν με ατμό για να σχηματίσουν ένα πλούσιο σε υδρογόνο καύσιμο. Παρόλο που η υψηλή θερμοκρασία επιτρέπει την ύπαρξη άνθρακα στην κυψέλη, το θείο μπορεί να την «δηλητηριάσει», ακόμα και σε μικρές ποσότητες. Οι MCFC, έχουν τα ίδια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα λόγω της υψηλής θερμοκρασίας με τις SOFC. Η προβλεπόμενη διάρκεια ζωής είναι 40,000h. Το κύριο πρόβλημα με τη λειτουργία και κατασκευή των MCFC σχετίζεται με το σχεδιασμό και την κατασκευή των ηλεκτροδίων τους, τα οποία χρησιμοποιούν καταλύτη από νικέλιο. Τα ηλεκτρόδια αυτά πρέπει να είναι ανθεκτικά στο θερμό και οξειδωτικό περιβάλλον του ηλεκτρολύτη, ο οποίος είναι ένα μίγμα αποτελούμενο κατά 68% από ανθρακικό λίθιο (K 2CΟ 3) και 32% από υδροξείδιο του καλίου (ΚΟΗ). Είναι μεγάλες σε μέγεθος, βαριές και αργούν να ξεκινήσουν. Άλλο μειονέκτημα των MCFC είναι η ευαισθησία των υλικών των κυψελών σε μηχανικές και θερμικές τάσεις που έχουν ως αποτέλεσμα την κακή δυναμική συμπεριφορά και το υψηλό προς σήμερα κόστος των συστημάτων. Κυψέλη καυσίμου στερεών οξειδίων (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC). Η δομή και η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου φαίνεται στο Σχήμα Στον Πίνακα 9.7 αναφέρονται οι επιμέρους αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στην άνοδο και στην κάθοδο ενώ στον Πίνακα 9.8 κωδικοποιούνται τα βασικά χαρακτηριστικά της τεχνολογίας. Σχήμα 9.37: Δομή και η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου στερεών οξειδίων Η SOFC, είναι εξ ολοκλήρου στερεή κατασκευή. Ο ηλεκτρολύτης είναι μη πορώδες κεραμικό υλικό, αγώγιμο στα ανιόντα του οξυγόνου, που διέρχονται από το πλέγμα του κρυστάλλου. Για το λόγο αυτό είναι πιο απλή από τα υπόλοιπα συστήματα κυψελών καυσίμου. Ο στερεός ηλεκτρολύτη είναι πορώδες κεραμικό υλικό αγώγιμο στα ιόντα του οξυγόνου που διέρχονται από το πλέγμα του μετάλλου, κατασκευασμένος από οξείδιο του ζιρκονίτη (ZrΟ 2) εμποτισμένο με μικρή ποσότητα υττρία (Υ 2Ο 3) και λειτουργεί στην υψηλότερη θερμοκρασία από όλους τους άλλους τύπους, στους C. Προσφέρει υψηλή ηλεκτρική απόδοση κυψέλης στο διάστημα % καθώς και μεγάλη ευελιξία ως προς τη χρήση διαφορετικών καυσίμων με τη δυνατότητα εσωτερικής αναμόρφωσης. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι ή υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας οδηγεί σε

39 υψηλούς ρυθμούς αντιδράσεων οι οποίοι μπορούν να επιτευχθούν χωρίς την ανάγκη ακριβών καταλυτών, και τα καύσιμα όπως φυσικό αέριο, μεθανόλη, μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα, τα οποία μετασχηματίζονται εσωτερικά της κατασκευής σε υδρογόνο και δεν απαιτούν κάποια εξωτερική μονάδα για αυτό το σκοπό. Όσον αφορά τα υλικά που χρησιμοποιούνται για τους καταλύτες της κυψέλης καυσίμου SOFC, η άνοδος χρησιμοποιεί καταλύτη από Νi ή άλλους καταλύτες που μπορούν να συνεισφέρουν στη διάσπαση της μεθανόλης (εάν αυτή χρησιμοποιείται σαν καύσιμο) σε ιόντα υδρογόνου και πρότυπο CΟ: Λειτουργώντας παρόμοια με την MCFC, τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα οξυγόνου, μεταφέρονται από την κάθοδο μέσω του ηλεκτρολύτη στην άνοδο. Έτσι το παραγόμενο νερό σχηματίζεται στην άνοδο. Η άνοδος είναι κεραμικό μείγμα ζιρκονίου (μείγμα ζιρκονίου και μετάλλου, συνήθως Ni). Η επιλογή του νικελίου γίνεται λόγω της υψηλής ηλεκτρικής του αγωγιμότητας και της σταθερότητας του κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων. Η χρησιμοποίηση του νικελίου και ως καταλύτη αναμόρφωσης, σε συνδυασμό με την υψηλή θερμοκρασία, δίνει το πλεονέκτημα της εσωτερικής αναμόρφωσης μέσα στην SOFC, κατευθείαν στην άνοδο. Στην κάθοδο χρησιμοποιείται μαγγανίτης λανθανίου ποτισμένο με στρόντιο. Λειτουργώντας στους C, τα στερεά οξείδια σχηματίζουν ιόντα υδρογόνου, τα οποία άγονται προς τη ροή του καυσίμου, όπου αντιδρούν με το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και το υδρογόνο (Η 2), ελευθερώνοντας ηλεκτρόνια. Αυτή η διαδικασία είναι αντίθετη με το τι συμβαίνει στις άλλες τεχνολογίες κυψελών καυσίμου, στις οποίες το υδρογόνο (Η 2) κατευθύνεται προς τα ηλεκτρόδια και μετά προς την πηγή του οξυγόνου (02). Αυτή η διαφορά, σε συνδυασμό με τη σταθερότητα των στερεών οξειδίων, επιτρέπει στα συστήματα SOFC να εξαλείψουν την ανάγκη προσθήκης επεξεργαστή καυσίμου και συνεπώς να είναι πιο ευέλικτα από τα συστήματα MCFC, ως προς τον τύπο του καυσίμου που τροφοδοτούνται. Επιπλέον, τα συστήματα SOFC μπορούν να επιτύχουν ακόμα μεγαλύτερες «πυκνότητες» ισχύος αφού τα στερεά οξείδια έχουν την δυνατότητα να σχηματίζονται σε μεγάλη ποικιλία μορφών και σχημάτων. Η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας των SOFC δίνει το πλεονέκτημα στην SOFC, έναντι στις χαμηλής θερμοκρασίας κυψέλες καυσίμου. Επίσης, αυξάνει το βαθμό απόδοσης της κυψέλης και δίνει τη δυνατότητα της χρησιμοποίησης λιγότερου ακριβού καταλύτη απ' ότι οι κυψέλες χαμηλών θερμοκρασιών, αφού με την αύξηση της θερμοκρασίας, οι χημικοί δεσμοί σπάνε γρηγορότερα. Ακόμη, η υψηλή θερμοκρασία των SOFC, δίνει το πλεονέκτημα της χρησιμοποίησης περισσοτέρων τύπων καυσίμου. Με αυτά τα καύσιμα η αναμόρφωση μπορεί να γίνει στο εσωτερικό της κυψέλης και όχι με τη χρήση ξεχωριστής εξωτερικής συσκευής αναμόρφωσης, μειώνοντας το συνολικό κόστος. Τέλος, η υψηλή θερμοκρασία συνεπάγεται μεγάλη ποσότητα απορριπτόμενης θερμότητας που μπορεί να ανακτηθεί σε συμπαραγωγικές εφαρμογές (αυξάνοντας το βαθμό απόδοσης του συστήματος), ενώ λόγω της υψηλής θερμοκρασίας των απαερίων της αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε θερμοδυναμικούς κύκλους ηλεκτροπαραγωγής με αεριοστρόβιλο και ατμοστρόβιλο αυξάνοντας τον ηλεκτρικό βαθμό απόδοσης πάνω από 60%.Με τη χρησιμοποίηση στερεού ηλεκτρολύτη, εκλείπουν τα προβλήματα διάβρωσης και διαχείρισης που έχουν οι υγροί ηλεκτρολύτες. Έτσι το σύστημα γίνεται απλούστερο και πιο οικονομικό. Η προβλεπόμενη διάρκεια ζωής είναι 40,000h. Όπως και οι MCFC εμφανίζουν ευαισθησία σε θερμικές τάσεις και επομένως απότομη ή συχνή μεταβολή του σημείου λειτουργίας τους αναπτύσσει μηχανικές και θερμικές τάσεις περιορίζοντας απαγορευτικά το χρόνο ζωής. Ένα μεγάλο μειονέκτημα της λειτουργίας σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες, είναι ότι υπάρχουν περιορισμοί στα υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται για διασυνδέσεις, ενώ παράλληλα ένα άλλο μειονέκτημα λόγω της υψηλής θερμοκρασίας είναι ότι μπορούν να συμβούν ανεπιθύμητες αντιδράσεις στο εσωτερικό της κυψέλης καυσίμου. Η κατασκευή της ανόδου από καρβονική σκόνη γραφίτη, αποτρέπει στο καύσιμο να έρθει σε επαφή με το καταλύτη. Τα κεραμικά υλικά από τα οποία είναι κατασκευασμένη η κυψέλη καυσίμου παρουσίαζουν δυσκολία στο χειρισμό και η κατασκευή τους είναι αρκετά δαπανηρή. Επομένως χρειάζεται ένας μεγάλος αριθμός από ένα επιπρόσθετο εξοπλισμό για τη κατασκευή ενός ολοκληρωμένου συστήματος κυψέλης καυσίμου. Ο εξοπλισμός αυτός περιλαμβάνει σύστημα προθέρμανσης αέρα και καυσίμου που εισάγονται στη κυψέλη. Επίσης το σύστημα ψύξης είναι πιο πολύπλοκο και δεν είναι εύκολο στην εκκίνηση του. Με βάση τα παραπάνω στοιχεία, που περιγράφουν τα λειτουργικά και κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των τεχνολογιών κυψελών καυσίμου, συμπληρώνουμε το συγκριτικό Πίνακα 9.8, με όλα τα επιμέρους χαρακτηριστικά τους. Πίνακας 9.2: Βασικά τεχνολογικά στοιχεία και επιδόσεις των βασικών τεχνολογιών ειδών κυψέλης καυσίμου AFC PEMFC DMFC PAFC MCFC SOFC Ηλεκτρολύτης Υδροξείδιο του καλίου (σε υγρή κατάσταση) Ενυδατωμένη μεμβράνη από πολυμερές (σε στερεή Ενυδατωμένη μεμβράνη από πολυμερές (σε στερεή Υγρό φωσφορικό οξύ (ακινητοποιμένο υγρό) Υγρό λιωμένο ανθρακικό άλας σε LiΑlO2 (ακινητοποιμένο Κεραμικός (σταθεροποιημένο ζιρκόνιο) (σε στερεή Ηλεκτρόδια Από στοιχεία μετάπτωσης κατάσταση) κατάσταση) υγρό) Άνθρακας Άνθρακας Άνθρακας Νικέλιο (Νί) και οξείδια του κατάσταση) Κεραμικά (μίγμα με μέταλλο)

40 νικελίου Kαrαλύτης Λευκόχρυσος Λευκόχρυσος Λευκόχρυσος Λευκόχρυσος Όμοια με ηλεκτρόδια Εσωτερικοί Σύνδεσμοι Θερμοκρασία Λειτουργίας Καύσιμο Όμοια με ηλεκτρόδια Μεταλλικοί Μεταλλικοί ή από Γραφίτης Ανοξείδωτος Από νικέλιο, άνθρακα χάλυβας ή κεραμικοί ή νικέλιο χαλύβδινοι ο C ο C ο C ο C ο C 950-1,000 ο C Η2. Απαραίτητη η απομάκρυνση του CΟ2 από τα αέρια της ανόδου και της καθόδου Η2. Αν αυτό προέρχεται από αναμόρφωση η περιεκτικότητα σε CΟ να είναι <10ppm Διάλυμα Η2Ο/μεθανόλ ης Η2. Και από αναμόρφωση Η2, CΟ, NG Η2, CΟ, NG, CH3OH Μεταφέρσιμο iόν ΟΗ - Η + Η + Η + CO3-2 O -2 Εξωτερικός Αναμορφωτής Ναι Ναι Οχι Ναι Όχι. Μόνο σε μερικά καύσιμα Όχι. Μόνο σε μερικά καύσιμα Εξωτερική Μετατροπή CO σε H2 Ναι. Καθαρισμός για απομάκρυνση του Ναι Όχι Όχι Κύρια μέρη κυψέλης Διαχείριση Νερού Διαχείριση Θερμότητας Ναι. Καθαρισμός για απομάκρυνση του CO και του CO Από άνθρακα Από άνθρακα Από άνθρακα Από γραφίτη Από ανοξείδωτα Κεραμικά υλικά Εξατμιζόμενο Εξατμιζόμενο Εξατμιζόμενο Εξατμιζόμενο Αέριο Αέριο Επεξεργασία καυσίμου και βοήθεια στη κυκλοφορία τουλεκτρολύτη Επεξεργασία καυσίμου και αποβολή σε υγρό ψυκτικό Επεξεργασία καυσίμου και αποβολή σε υγρό ψυκτικό Επεξεργασία καυσίμου και αποβολή σε ψυκτικό ή παραγωγή ατμού Επεξεργασία καυσίμου και εσωτερική διαμόρφωση Επεξεργασία καυσίμου και εσωτερική διαμόρφωση Απόδοση 50-70% 40-50% 25-40% 40-45% 50-60% 50-60% Ισχύς <20KW <250KW <10KW >50KW >1MW >200KW Θερμότητα προς Καθόλου Χαμηλής ποιότητας Καθόλου Αποδεκτή για Υψηλή Υψηλή συμπαραγωγή πολλές εφαρμογές Εφαρμογές Διαστημικές και στρατιωτικές εφαρμογές Φορητές ηλεκτρονικές συσκευές Πλεονεκτήματα Πολλές εναλλακτικές στη χρήση καταλυτών. Καταλύτες χαμηλού κόστους. Καλύτερη κινητική της καθόδου σε σχέση με την PAFC Οχήματα Ηλεκτροπαραγωγή Φορητές ηλεκτρονικές συσκευές Χαμηλής ισχύος συστήματα Διαστημικές και στρατιωτικές εφαρμογές Ο ηλεκτρολύτης δεν επιτρέπει την ύπαρξη CΟ2. Μηχανικά σταθερός ηλεκτρολύτης. Ελάχιστα προβλήματα των υλικών ακόμα και σε συνθήκες διάβρωσης Η DMFC έχει παρόμοια πλεονεκτήματ α με την ΡΕΜ. Δεν χρειάζεται όμως αναμορφωτή για τη λειτουργία της, γεγονός που μειώνει το κόστος. Καύσιμο μεθανόλη Συστήματα ηλεκτροπαραγωγή ς και συμπαραγωγής kW Μεγάλα οχήματα (λεωφορεία) Ο ηλεκτρολύτης τους δεν απορρίπτει το CΟ2. Υψηλός βαθμός απόδοσης συστήματος ειδικά σε περιπτώσεις συμπαραγωγής Συστήματα συμπαραγωγής μεγάλης ισχύος Υψηλής ταχύτητας κινητική στα ηλεκτρόδια. Αποδιδόμενη θερμότητα υψηλής ενθαλπίας. Το CO αποτελεί καύσιμο. Χαμηλότερου κόστους από τις PAFC. Δυνατότητα εσωτερικής αναμόρφωσης καυσίμου Οχήματα, Συστήματα ηλεκτροπαραγωγή ς και συμπαραγωγής μικρής έως μεγάλης ισχύος, υβριδικά συστήματα, συστήματα προώθησης υποβρυχίων. πλοίων Υψηλής ταχύτητας κινητική στα ηλεκτρόδια. Αποδιδόμενη θερμότητα υψηλής ενθαλπίας. Το CO αποτελεί καύσιμο. Δυνατότητα εσωτερικής αναμόρφωσης καυσίμου. Υψηλός βαθμός απόδοσης συστήματος. Κανένα πρόβλημα διαχείρισης ηλεκτρολύτη. Αμετάβλητη σύνθεση

41 ηλεκτρολύτη. Δεν απαιτείται ανακύκλωση του Μειονεκτήματα Δεν επιτρέπουν την ύπαρξη CΟ2. Δεν επιτρέπουν τη χρήση καυσίμων που έχουν άνθρακα. Απαιτεί μεγάλες ποσότητες Pt. Το CO καταστρέφει την άνοδο. Απαιτεί μεμβράνη υψηλού κόστους. Προβληματική διαχείριση νερού. Το Η2 είναι το μόνο ασφαλές καύσιμο. Αργή αντίδραση της ανόδου, Πολύ μικρή, σε σχέση με το μέγεθος της κυψέλης Το CO καταστρέφει την άνοδο. Το υδρογόνο το μόνο ασφαλές καύσιμο. Χρησιμοποιεί καταλύτες υψηλού κόστους. Μη αντιστρεπτή κινητική Ο2. Ηλεκτρολύτης χαμηλής απόδοσης Προβλήματα στα υλικά σχετικά με τη διάρκεια ζωής και μηχανικής σταθερότητας. Χαμηλή αντοχή σε θειούχες ενώσεις. Το CΟ2 απαιτείται για την τροφοδοσία της καθόδου CΟ2 Υψηλό κόστος κατασκευής. Περιορισμοί στην επιλογή των υλικών λόγω υψηλών θερμοκρασιών λειτουργίας. Σχετικά υψηλή αντίσταση ηλεκτρολύτη Κατασκευαστικά και Λειτουργικά Στοιχεία Τα κυριότερα δομικά στοιχεία μίας κυψέλης καυσίμου και ειδικότερα μιας κυψέλης καυσίμου πολυμερισμένης μεμβράνης (ΡΕΜFC) που είναι και η πιο διαδεδομένη από όλες και έχει την πιο απλοϊκή κατασκευή, (Σχήμα 9.38Α) ή μιας κυψέλης καυσίμου αμέσου μεθανόλης (DMFC), (Σχήμα 9.38Β),είναι: Α Β Σχήμα 9.38: Α. Λειτουργική δομή κυψέλης καυσίμου ΡΕΜFC Β. Κατασκευαστική δομή κυψέλης καυσίμου Γ. Κατασκευαστική δομή κυψέλης καυσίμου DMFC Γ

42 Μεμβράνη ανταλλαγής ιόντων (Proton Exchange Membrane) ή Ηλεκτρολύτης (electrolyte) Ο ηλεκτρολύτης είναι η καρδιά της κυψέλης καυσίμου. Η βασική του λειτουργία στηρίζεται στην ιδιότητα που έχει να επιτρέπει την μετακίνηση ιόντων στο εσωτερικό του. Ο ηλεκτρολύτης θα πρέπει να διαθέτει μεγάλη ιοντική αγωγιμότητα και παράλληλα να εμποδίζει τη διέλευση των ηλεκτρονίων, ώστε να μην υπάρχουν απώλειες και να διατηρείται η ομαλή λειτουργία της κυψέλης καυσίμου. Εάν ο ηλεκτρολύτης επιτρέπει τη διέλευση των ηλεκτρονίων, τότε παρουσιάζονται προβλήματα βραχυκύκλωσης, με αποτέλεσμα τη μη ομαλή λειτουργία του στοιχείου. Παράλληλα ο ηλεκτρολύτης λειτουργεί και σαν διαχωριστική επιφάνεια ανάμεσα στο οξειδωτικό και το καύσιμο, έτσι ώστε να αποφεύγεται η απευθείας αντίδρασή τους. Ο ηλεκτρολύτης προσδιορίζει τις συνθήκες λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου. Έτσι η θερμοκρασία λειτουργίας, εξαρτάται άμεσα από το είδος του ηλεκτρολύτη που αυτή διαθέτει. Στις κυψέλες καυσίμου που έχουν υγρό ηλεκτρολύτη, όπως ο αλκαλικός και αυτός του φωσφορικού οξέος, η θερμοκρασία λειτουργίας είναι σχετικά χαμηλή (<250 C). Ο περιορισμός αυτός είναι αναγκαίος, καθώς αν η κυψέλη καυσίμου λειτουργήσει σε υψηλότερες θερμοκρασίες, ο υγρός ηλεκτρολύτης θα αλλοιωθεί λόγω εξάτμισης. Εξαιτίας αυτών των χαμηλών θερμοκρασιών, οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν ακριβούς ηλεκτρολύτες για την επαρκή κατάλυση της αντίδρασης, με αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους τους. Αντίθετα όταν ο ηλεκτρολύτης είναι σε στερεά κατάσταση, η θερμοκρασία λειτουργίας ξεπερνάει τους 650 C, με αποτέλεσμα να μην απαιτείται η χρήση ακριβού καταλύτη, αφού σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες οι αντιδράσεις καταλύονται επαρκώς και από λιγότερο δραστικούς καταλύτες, ενώ παράλληλα αυξάνεται η ιοντική αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη. Κατάλληλα για τον ηλεκτρολύτη είναι κάποια όξινα και αλκαλικά διαλύματα και στερεά σώματα: Στην άνοδο ενός όξινου ηλεκτρολύτη, το υδρογόνο ιονίζεται στο ηλεκτρόδιο, απελευθερώνοντας ηλεκτρόνια και δημιουργώντας πρωτόνια: 2H = + 2 4H + 4e (9-96) Η αντίδραση απελευθερώνει ενέργεια. Στην κάθοδο, το οξυγόνο αντιδρά με τα ηλεκτρόνια και τα + πρωτόνια, σχηματίζοντας νερό: O 2 + 4e + 4H 2H 2O (9-97) Το οξύ είναι υγρό με ελεύθερα ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια Η+), έτσι ο όξινος ηλεκτρολύτης εκτελεί με επιτυχία το σκοπό του, δηλαδή την μετακίνηση των ιόντων υδρογόνου από την άνοδο στην κάθοδο. Παρατήρηση: Ορισμένα πολυμερή, μπορούν επίσης να περιέχουν κινούμενα ιόντα υδρογόνου. Αυτά τα πολυμερή ονομάζονται μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων, παίρνοντας το όνομά τους από το ιόν του υδρογόνου ή αλλιώς πρωτόνιο. Η πολυμερισμένη ηλεκτρολυτική μεμβράνη είναι ένας ηλεκτρονικός μονωτής και παράλληλα ένας άριστος αγωγός κατιόντων υδρογόνου. Το τυπικό υλικό της μεμβράνης αποτελείται από πλήρως φθοριομένο άνθρακα, στον οποίο είναι προσαρμοσμένα ρίζες θειϊκών οξειδίων ( SO H + 3 ). Όταν η μεμβράνη + ενυδατώνεται, τότε τα ιόντα υδρογόνου ( H ) αποκτούν ελευθερία κίνησης. Η μεταφορά ιόντων επομένως δια μέσου της μεμβράνης εξαρτάται από την ποσότητα νερού που βρίσκεται δεσμευμένη ή ελεύθερη μέσα στο πολυμερές. Το πάχος της μεμβράνης ποικίλλει από μm. Στους αλκαλικούς ηλεκτρολύτες οι αντιδράσεις στα ηλεκτρόδια είναι διαφορετικές. Στην κάθοδο το οξυγόνο αντιδρά με τα ηλεκτρόνια που έρχονται από την άνοδο και μαζί με το νερό, σχηματίζουν ανιόντα υδροξυλίου: O 2 + 4e + 2H 2O 4OH (9-98) Τα ανιόντα υδροξυλίου περνούν μέσα από τον ηλεκτρολύτη από την κάθοδο στην άνοδο. Στην άνοδο το υδρογόνο αντιδρά με τα ανιόντα υδροξυλίου απελευθερώνοντας ενέργεια και ηλεκτρόνια και παράγοντας νερό: 2H 2 + 4OH 4H 2O + 4e (9-99) Συνοψίζοντας, στον όξινο ηλεκτρολύτη, το μεταφερόμενο ιόν από την άνοδο στην κάθοδο είναι το κατιόν του υδρογόνου και η παραγωγή του νερού γίνεται στην κάθοδο. Στον αλκαλικό ηλεκτρολύτη, το μεταφερόμενο ιόν από την κάθοδο στην άνοδο είναι το ανιόν υδροξυλίου και το νερό σχηματίζεται στην άνοδο. Ηλεκτρόδια (electrodes) Η μετατροπή της χημικής ενέργειας που περιέχει το καύσιμο σε ηλεκτρική ενέργεια, γίνεται στα ηλεκτρόδια, καθώς από τα άτομα του καυσίμου και του αέρα, αποδεσμεύονται τα ηλεκτρόνια. Στη συνέχεια τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσα από εξωτερικό κύκλωμα, ενώ τα ιόντα διαπερνάνε τον ηλεκτρολύτη. Επομένως τα ηλεκτρόδια πρέπει να είναι πορώδη, διαπερατά, από τα αέρια μόρια, τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια, καθώς επίσης πρέπει να είναι καλοί αγωγοί ηλεκτρισμού. Ο ρυθμός με τον οποίο γίνονται οι αντιδράσεις, σχετίζεται με την επιφάνεια των ηλεκτροδίων. Η πορώδης κατασκευή τους αυξάνει την ενεργό επιφάνειά τους. Τα μοντέρνα ηλεκτρόδια έχουν τέτοια μικροδομή, που τους δίνει ενεργό επιφάνεια εκατοντάδες ή ακόμα χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από τις πραγματικές τους διαστάσεις. Η ταχύτητα των αντιδράσεων είναι μείζονος σημασίας για την απόδοση της κυψέλης καυσίμου. Η αύξηση της

43 ταχύτητας γίνεται, εκτός από την αύξηση της επιφάνειας των ηλεκτροδίων, είτε με την προσθήκη καταλυτικών επενδύσεων στην επιφάνεια των ηλεκτρόδιων, είτε με την αύξηση της θερμοκρασίας. Παρατήρηση: Σημειώνεται ότι η ταχύτητα της καθοδικής αντίδρασης είναι 100 φορές μικρότερη από αυτή της ανόδου και αυτό δημιουργεί ένα σημαντικό όριο στην απόδοση της κυψέλης. Η χαμηλή ταχύτητα αναγωγής του οξυγόνου οφείλεται σε 3 παράγοντες: Α. Στη μεγάλη ισχύ του δεσμού του μοριακού οξυγόνου και στην αυξημένη σταθερότητα του δεσμού Pt - Ο ή Pt - ΟΗ. Β. Στο ότι είναι αντίδραση μεταφοράς 4 ηλεκτρονίων. Γ. Στη δημιουργία παραπροϊόντων όπως το Η 2Ο 2 (ΟΗ-ΟΗ). Η άνοδος είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο της κυψέλης καυσίμου. Άγει τα ηλεκτρόνια που προέρχονται από τα μόρια του υδρογόνου, έτσι ώστε αυτά να οδηγηθούν στο εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα. Η κάθοδος είναι το θετικό ηλεκτρόδιο της κυψέλης καυσίμου. Άγει τα ηλεκτρόνια που επιστρέφουν από την άνοδο, έτσι ώστε να μπορούν να ξαναενωθούν με τα ιόντα υδρογόνου και το οξυγόνο, για τον σχηματισμό νερού. Καταλύτης ή ηλεκτροκαταλύτης (catalyst) Στην περίπτωση όξινων ηλεκτρολυτών μόνο ευγενή μέταλλα, όπως ο λευκόχρυσος (Pt) και το ρουθήνιο (Ru) μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καταλύτες, γιατί λιγότερο πολύτιμα μέταλλα θα αντιμετώπιζαν πρόβλημα διάβρωσης με την πάροδο του χρόνου. Στις κυψέλες καυσίμου τύπου ΡΕΜ, χρησιμοποιείται ως καταλύτης λευκόχρυσος (Pt) καθώς είναι ο μόνος, που μπορεί να παρέχει υψηλούς ρυθμούς αναγωγής του οξυγόνου, στις χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας της ΡΕΜ (60-80 C). Ο σκοπός του είναι να επιταχύνει την αντίδραση της καθόδου, η οποία όπως είπαμε είναι 100 φορές πια αργή, από την αντίδραση οξείδωσης του υδρογόνου. Ο λευκόχρυσος χρησιμοποιείται, εξαιτίας της μοναδικής του ιδιότητας, να διασπά τόσο το υδρογόνο, όσο και το οξυγόνο. Ανάμεσα στις αντιδράσεις οξείδωσης, και αναγωγής μεσολαβεί ένα ενδιάμεσο βήμα στο οποίο, τα άτομα της πλατίνας ενώνονται με τα άτομα του υδρογόνου και του οξυγόνου. Ο δεσμός αυτός είναι τόσο ισχυρός, ώστε να έλκει τα άτομα,, ενώ ταυτόχρονα είναι αρκετά ασθενής ώστε απελευθερώνει τα άτομα του υδρογόνου ή του οξυγόνου, ώστε να σχηματιστούν τα τελικά προϊόντα. Ένας τρόπος για καλύτερη αξιοποίηση του καταλύτη είναι να κατασκευαστεί το στρώμα του καταλύτη, με τέτοιο τρόπο ώστε, να καταλαμβάνει τη μέγιστη δυνατή επιφάνεια. Κάθε ηλεκτρόδιο αποτελείται από πορώδη άνθρακα (C) με τον οποίον συνδέονται τα πολύ μικρά μόρια πλατίνας. Το ηλεκτρόδιο είναι πορώδες ώστε τα μόρια του αερίου να μπορούν να διαπεράσουν κάθε ηλεκτρόδιο για να φθάσουν στον καταλύτη. Τόσο η πλατίνα όσο και ο άνθρακας έχουν καλή αγωγιμότητα ηλεκτρονίων που τα επιτρέπει να κινούνται ελεύθερα μέσω του ηλεκτροδίου. Το μικρό μέγεθος των μορίων Pt, περίπου 2nm σε διάμετρο, οδηγεί σε πολύ μεγάλη συνολική περιοχή επιφάνειας που είναι προσβάσιμη στα μόρια αερίου. Η μεγάλη περιοχή επιφάνειας Pt, επιτρέπει τις αντιδράσεις ηλεκτροδίων να πραγματοποιούνται σε πολλές περιοχές επιφάνειας Pt ταυτόχρονα. Η μεγάλη διασπορά των μορίων του λευκόχρυσου αυξάνει δραματικά τη συνολική επιφάνεια του, ακόμα και όταν η ποσότητα του λευκόχρυσου που χρησιμοποιείται είναι μικρή. Το αποτέλεσμα είναι να αυξάνει σημαντικά η ταχύτητα της αντίδρασης που λαμβάνει χώρα στο ηλεκτρόδιο. Αυτή η υψηλή διασπορά του καταλύτη είναι βασική για την ροή ηλεκτρονίων, δηλαδή το παραγόμενο ρεύμα σε μια κυψέλη καυσίμου. Ο συνδυασμός Άνοδος/Μεμβράνη/Κάθοδος συχνά αναφέρεται και ως Σώμα Μεμβράνης- Ηλεκτρόδια (Membrane EIectrode Assemply, ΜΕΑ), (Σχήμα 9.39). Σχήμα 9.39: Μεγέθυνση εγκάρσιας διατομής Σώματος Μεμβράνης-Ηλεκτρόδια

44 Στρώμα διάχυσης αερίων (Gas Diffusion Layers, GDL) ή πορώδες στρώμα (backing layer) Το στρώμα διάχυσης των αερίων, μπορεί είτε να αποτελεί μέρος του ηλεκτροδίου, τόσο της ανόδου όσο και της καθόδου, είτε να είναι ξεχωριστό στρώμα. Ο πρωταρχικός του ρόλος είναι η διάχυση, η ισοκατανομή των αερίων πάνω στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Επιπλέον όμως, δημιουργεί ηλεκτρική σύνδεση ανάμεσα στον καταλύτη και στην διπολική πλάκα. Επίσης απομακρύνει το παραγόμενο νερό από την επιφάνεια του ηλεκτρολύτη και σχηματίζει ένα προστατευτικό λεπτό στρώμα στην επιφάνεια του καταλύτη. Το σώμα μεμβράνης ηλεκτροδίων περιβάλλεται από δύο πορώδη στρώματα από γραφίτη. Μπορεί να αποτελεί μέρος του ηλεκτροδίου τόσο της ανόδου όσο και της καθόδου, είτε να είναι ξεχωριστό στρώμα. Η πορώδης φύση του στρώματος αυτού εξασφαλίζει αποτελεσματική διάχυση και ισοκατανομή του κάθε αντιδρώντος αερίου στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, που αποτελεί τον πρωταρχικό του ρόλο, ενώ επίσης δημιουργεί ηλεκτρική σύνδεση ανάμεσα στον καταλύτη και τη διπολική πλάκα. Επιπρόσθετα απομακρύνει το παραγόμενο νερό από την επιφάνεια του ηλεκτρολύτη και σχηματίζει ένα προστατευτικό λεπτό στρώμα στην επιφάνεια του καταλύτη. Στις κυψέλες καυσίμου τύπου ΡΕΜ λειτουργεί και σα μηχανικό στήριγμα για τη μεμβράνη, (Σχήμα 9.40). Το υλικό που χρησιμοποιείται για τη κατασκευή του, έχει ως βάση τον άνθρακα μαζί με κάποιο υδροφοβικό υλικό το οποίο αποτρέπει τη συγκέντρωση του νερού (ώστε να μπορούν τα αέρια ελεύθερα να έρχονται σε επαφή με το καταλύτη). Σχήμα 9.40: Στρώμα διάχυσης αερίων σε κυψέλη καυσίμου τύπου ΡΕΜ Διπολικές πλάκες (Bipolar plates ή separator) - Συστοιχία κυψελών καυσίμου (Fuel Cell stack) Η τάση μίας κυψέλης καυσίμου, υπό φορτίο είναι αρκετά μικρή, της τάξης του 0.7V. Για να φτάσουμε το επιθυμητό επίπεδο της τάσης, πολλές κυψέλες καυσίμου θα πρέπεί να ενωθούν στη σειρά. Η εν σειρά ένωση των κυψελών καυσίμου, δημιουργεί μία συστοιχία κυψελών καυσίμου, (Σχήμα 9.41). Σχήμα 9.41: Μία τέτοια συστοιχία μπορεί να αποτελείται από εκατοντάδες κυψέλες ανάλογα με τις απαιτήσεις ισχύος κάθε εφαρμογής. Προκειμένου να μειωθεί ο συνολικός όγκος και βάρος της στήλης γίνεται χρήση αντί δύο πλακών καθορισμού της ροής των αερίων, μίας. Αυτή η πλάκα έχει δύο περιοχές με κανάλια μεταφοράς, μια σε κάθε μεριά της η οποία αναλαμβάνει τη μεταφορά και διαφορετικού αερίου (υδρογόνου ή αέρα) και ονομάζεται διπολική πλάκα (bipolar plate). Στα άκρα της κυψέλης βρίσκονται δύο απλές πλάκες. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στο αδιαπέραστο από αέρια της στήλης διότι σε αντίθετη περίπτωση υδρογόνο και αέρας θα ενώνονταν άμεσα χωρίς την παραγωγή εκμεταλλεύσιμου ρεύματος. Η διπολική πλάκα πρέπει επίσης να είναι αγώγιμη ώστε το ρεύμα να μπορεί να κινηθεί από τη μία κυψέλη στην επόμενη.

45 Οι διπολικές πλάκες συνδέουν ολόκληρη την επιφάνεια της καθόδου μιας κυψέλης, με ολόκληρη την επιφάνεια της ανόδου της επόμενης κυψέλης (εξού και ο όρος διπολική). Την ίδια στιγμή οι διπολικές πλάκες τροφοδοτούν με οξυγόνο την κάθοδο και με καύσιμο την άνοδο. Παρότι τα δύο ηλεκτρόδια πρέπει να έχουν καλή ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ τους, τα αέρια πρέπει να τροφοδοτούνται ξεχωριστά. Η διπολική πλάκα κατασκευασμένη από αγώγιμα υλικά, όπως ο γραφίτης ή ο ανοξείδωτο ατσάλι. Αυτές οι πλάκες έχουν κανάλια έτσι ώστε τα αέρια να ρέουν στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων. Τα κατακόρυφα κανάλια είναι για τη ροή του υδρογόνου στην άνοδο, ενώ τα οριζόντια κανάλια είναι για τη ροή του οξυγόνου στην κάθοδο. Είναι επίσης κατασκευασμένες με τρόπο τέτοιο ώστε έχουν αγώγιμη επαφή με την επιφάνεια του κάθε ηλεκτρόδιου Το αποτέλεσμα αυτής της σύνδεσης σε σειρά των κυψελών, είναι το ηλεκτρικό ρεύμα να περνά στην ουσία κατευθείαν από τη μία κυψέλη στην άλλη και όχι από την επιφάνεια του ενός ηλεκτροδίου στο άλλο. Τέλος, οι διπολικές πλάκες υποστηρίζουν μηχανικά τα ηλεκτρόδια με αποτέλεσμα να έχουμε μια σθεναρή κατασκευή. Η ιδανική διπολική πλάκα πρέπει να είναι λεπτή, για την ελαχιστοποίηση της ηλεκτρικής αντίστασης και του μεγέθους της κυψέλης. Αυτό όμως περιορίζει τη ροή των αερίων στα κανάλια και είναι δυσκολότερη η εισαγωγή τους μέσα στην κυψέλη. Στις χαμηλής θερμοκρασίας κυψέλες καυσίμου, ο αέρας που κυκλοφορεί πρέπει να απομακρύνει μαζί του και το παραγόμενο νερό. Οι διπολικές πλάκες διαθέτουν επιπλέον κανάλια για την κυκλοφορία του ψυκτικού υγρού. Σχήμα 9.42: Δομή μιας κυψέλης καυσίμου. Οι δύο διπολικές πλάκες, περιέχουν την άνοδο, τον ηλεκτρολύτη και την κάθοδο. Κατά τη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου, συμβαίνουν διάφορα προβλήματα που αφορούν τη κατασκευαστική της διαμόρφωση, ή τα λειτουργικά της χαρακτηριστικά και επηρεάζουν σε σημαντικό βαθμό την απόδοση της χημικής αντίδρασης του καυσίμου και κατ' επέκταση την απόδοση στη παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος: Υγρασία Η ύπαρξη, ελάχιστου νερού, μειώνει την αγωγιμότητα, της μεμβράνης στα ιόντα υδρογόνου και προκαλεί τη μείωση του ρεύματος της κυψέλης. Όπως έχει προαναφερθεί για να ολοκληρωθεί ξ αντίδραση (τόσο στην άνοδο όσο και στη κάθοδο) πρέπει το καύσιμο να έρθει σε επαφή ταυτόχρονα και με το ηλεκτρόδιο και με τον ηλεκτρολύτη. Επειδή στις ΡΕΜ κυψέλες, ο ηλεκτρολύτης (μεμβράνη) δεν είναι υγρός και δεν μπορεί να γεμίσει τις περιοχές ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο και στον ηλεκτρολύτη, η ύπαρξη νερού είναι απαραίτητη για την πραγματοποίηση της αντίδρασης. Όταν η μεμβράνη είναι πλήρως ενυδατωμένη, η απόδοση της κυψέλης αυξάνεται γιατί δημιουργούνται περισσότερες περιοχές, που είναι δυνατή η αντίδραση. Υπάρχει όμως ένα σημείο το οποίο αν ξεπεραστεί τότε ο ηλεκτρολύτης «πλυμμηρίζει» και το νερό εμποδίζει την επαφή του αερίου με τον ηλεκτρολύτη και το ηλεκτρόδιο. Επομένως, ο έλεγχος, της ποσότητας του νερού είναι πολύ σημαντικός. Όταν η κυψέλη λειτουργεί σε υψηλή πυκνότητα ρεύματος το πρόβλημα της αφυδάτωσης είναι μεγαλύτερο. Η λειτουργία με αφυδατωμένη μεμβράνη μπορεί να μειώσει σημαντικά τη διάρκεια ζωής της μεμβράνης. Θερμοκρασία λειτουργίας Η θερμοκρασία λειτουργίας πρέπει να κυμαίνεται σε κάποια πλαίσια. Αν η θερμοκρασία της κυψέλης καυσίμου μειωθεί πολύ, τότε μειώνεται η απόδοση της κυψέλης. Αν αντίθετα η θερμοκρασία ξεπεράσει το ανώτατο όριο λειτουργίας της κυψέλης τότε θα αφυδατωθεί η μεμβράνη, λόγω εξάτμισης του νερού, οπότε η κυψέλη, θα καταστραφεί. Για αυτό το λόγο πρέπει με κάποιο τρόπο, να γίνεται απαγωγή της θερμότητας που παράγεται. Η θερμότητα αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για συμπαραγωγή θερμότητας είτε σε κάποιο υβριδικό σύστημα με ατμοστρόβιλο, είτε στη μονάδα επεξεργασίας καυσίμου ή ακόμα και με κάποιο τρόπο να γίνεται απαγωγή της στο περιβάλλον. Οι κυψέλες τύπου PEM λειτουργούν σε θερμοκρασίες ο C. Αντίστοιχα, η θερμοκρασία λειτουργίας των κυψελών καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) περιορίζεται από το γεγονός ότι πρέπει το νερό να διατηρείται σε υγρή μορφή. Η μεμβράνη πρέπει να περιέχει νερό, έτσι ώστε να μεταφέρονται τα πρωτόνια μέσα από αυτήν. Έτσι η κυψέλη λειτουργεί σε θερμοκρασίες κάτω

46 των 100 C. Η λειτουργία των κυψελών καυσίμου σε θερμοκρασίες άνω των 100 C, είναι δυνατή αρκεί να επικρατούν συνθήκες υψηλής πίεσης, ώστε το νερό να διατηρείται σε υγρή μορφή ή να υπάρχει κατάλληλη μεμβράνη που να μπορεί να λειτουργεί σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Πίεση λειτουργίας Εάν η πίεση του υδρογόνου είναι πολύ μικρή, τότε μειώνεται η απόδοση της κυψέλης, ενώ αν η πίεση γίνει πολύ μεγάλη, τότε τίθεται θέμα δομικής αντοχής της. Οι κυψέλες τύπου ΡΕΜ, λειτουργούν σε πιέσεις της τάξεως των ΜΡα αtm, ενώ υπάρχει μια προτίμηση για κυψέλες που λειτουργούν σε πίεση ίση με την ατμοσφαιρική (1atm). Αναγέννηση Σε αυτό το σύστημα το νερό αρχικά εισέρχεται στη συσκευή ηλεκτρόλυσης, η οποία δύναται να τροφοδοτείται από ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, όπως ο άνεμος, ο ήλιος, ή ο συνδυασμός τους. Η συσκευή ηλεκτρόλυσης διαχωρίζει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιούνται στη κυψέλη καυσίμου. Το νερό που παράγεται από την κυψέλη, ανατροφοδοτείται πίσω στη συσκευή ηλεκτρόλυσης και η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται. Η NASA καθώς και άλλες εταιρίες σε παγκόσμιο επίπεδο ερευνούν τη λειτουργία του κλειστού αυτού συστήματος Η «καρδιά» ενός συστήματος κυψελών καυσίμου, είναι οι συστοιχίες όπου παράγεται η ηλεκτρική ισχύς. Ωστόσο όλα τα συστήματα στην πλειοψηφία των εφαρμογών, αποτελούνται από δύο επιπλέον κύρια υποσυστήματα τη μονάδα επεξεργασίας καυσίμου (fuel processing unit) και το τμήμα διαχείρισης της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος (power conditioning unit). Τα παραπάνω μαζί με τα υποσυστήματα ροής αντιδρώντος καυσίμου, ελέγχου θερμότητας και θερμοκρασίας, διαχείρισης νερού ολοκληρώνουν ένα σύστημα κυψελών καυσίμου και λέγονται «υπόλοιπο» της κυψέλης καυσίμου (balance of the plant ΒΟΡ), (Σχήμα 9.100). Η διαδικασία παραγωγής υδρογόνου παρουσιάζεται αναλυτικά στην Παράγραφο Η μονάδα επεξεργασίας της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος εκτελεί τις εξής λειτουργίες: Μετατροπή του παραγόμενου συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο το οποίο χρησιμοποιείται στις περισσότερες εφαρμογές, μέσω κατάλληλων inverter. Μετασχηματισμό της παραγόμενης τάσεως ανάλογα με τις ανάγκες κάθε εφαρμογής. Αυτό γίνεται με χρήση μετασχηματιστών προτού μετατραπεί το ηλεκτρικό ρεύμα σε εναλλασσόμενο. Ηλεκτρονικά κυκλώματα τροποποίησης του ηλεκτρικού σήματος κατά τη μεταβολή του φορτίου. Αυτό είναι αναγκαίο, εφόσον όπως παρουσιάστηκε σε προηγούμενη παράγραφο, αύξηση της πυκνότητας ρεύματος δηλαδή ισοδύναμα του φορτίου έχει ως συνέπεια την πτώση της διαφοράς δυναμικού στα άκρα της κυψέλης σύμφωνα με την καμπύλη ρεύματος τάσεως. Επομένως, ρυθμιστικά κυκλώματα διατηρούν σταθερή την παραγόμενη τάση. Συστήματα συγχρονισμού με το ηλεκτρικό δίκτυο. Όταν επιλέγεται το σύστημα να λειτουργεί παράλληλα με το δίκτυο (δηλαδή να συνεργάζεται με αυτό) η ποιότητα του παραγόμενου σήματος, οι αρμονικές και οι ηλεκτρικές συχνότητες έχουν καθορισμένες τιμές και όρια μεταβολών. Σε πολλές εφαρμογές, τα προφίλ των φορτίων διαφόρων εφαρμογών απαιτούν την ενσωμάτωση ενός συστήματος αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας. Τα συστήματα αυτά είναι συνήθως επαναφορτιζόμενες ειδικές μπαταρίες οι οποίες «βοηθούν» το σύστημα να ανταποκριθεί στα ταχέως μεταβαλλόμενα φορτία καθώς και στην εκκίνηση τους, ή απλά εξασφαλίζουν ανεξαρτησία από το σύστημα αφού οποιαδήποτε στιγμή αποφορτιζόμενες παρέχουν ισχύ. Οι μπαταρίες αυτές ελέγχονται τις περισσότερες φορές από μικροεπεξεργαστή. Η ολική απόδοση των παραπάνω διατάξεων για τη μορφοποίηση του ηλεκτρικού σήματος είναι τυπικά 92-96%. Τα συστήματα κυψελών καυσίμου δεν μπορούν να αποδώσουν ισχύ περισσότερη από την ονομαστική τους ισχύ (transient overload), ενώ η ταχύτητα με την οποία μεταβάλλουν το φορτίο τους εξαρτάται από το μέγεθος του συστήματος και τον τύπο της κυψέλης. Για εφαρμογές συμπαραγωγής [Παράγραφος 5.3] της τάξεως των 250kW, αναφέρεται μία ταχύτητα μεταβολής της ισχύος ίσης με 80kW/s για ανεξάρτητη (από το δίκτυο) λειτουργία του συστήματος, ενώ 10kW/s όταν είναι συνδεδεμένο με το δίκτυο. Γενικά, η ικανότητα μεταβολής του φορτίου πρέπει να εξετάζεται παράλληλα με τα προφίλ των ηλεκτρικών και θερμικών φορτίων κάθε εφαρμογής. Στην πρώτη περίπτωση που εξετάζεται, δηλαδή την εφαρμογή σε αυτόνομη οικία, τα προφίλ μεταβάλλονται ραγδαία σε σύντομα χρονικά διαστήματα, ενώ σε μεγαλύτερες εφαρμογές όπως συγκροτήματα γραφείων, ξενοδοχεία, νοσοκομεία και υπάρχει μία εξομάλυνση αυτών των προφίλ Σύγκριση Κυψελών Καυσίμου με Θερμικές Μηχανές Όλες οι θερμικές μηχανές, συμπεριλαμβανομένου και των μηχανών εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ), περιορίζονται από την απόδοση του κύκλου Carnot. Η θερμική μηχανή δεν μπορεί να μετατρέψει όλη την παραγόμενη θερμική ενέργεια, σε μηχανική ενέργεια. Μέρος της θερμικής ενέργειας απορρίπτεται στο περιβάλλον. Σε μία μηχανή εσωτερικής καύσης, παρέχεται θερμότητα σε υψηλή θερμοκρασία Τ 1, μέρος της ενέργειας μετατρέπεται σε μηχανικό έργο και το υπόλοιπο απορρίπτεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία Τ 2. Όσο

47 μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση. Σύμφωνα με το 2ο νόμο της Θερμοδυναμικής, η θερμική απόδοση της θερμικής μηχανής είναι μικρότερη από την απόδοση του θεωρητικού κύκλου Carnot: Οι κυψέλες καυσίμου μετατρέπουν απευθείας τη χημική ενέργεια του καυσίμου σε ηλεκτρική ενέργεια, χωρίς να περιλαμβάνουν το στάδιο της μετατροπής της θερμότητας σε μηχανική ενέργεια, η οποία εν συνεχεία μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Γι' αυτό το λόγο η απόδοση των κυψελών καυσίμου, μπορεί να υπερβαίνει το όριο του κύκλου Carnot, ακόμα και όταν αυτές λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, π.χ. στους 80 C. Ο θεωρητικός βαθμός απόδοσης των κυψελών καυσίμου είναι: ΔG η th = (9-100) ΔH όπου ΔG είναι η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs, που ελευθερώνεται κατά την αντίδραση και ΔΗ είναι η μεταβολή της ενθαλπίας. Όταν το παραγόμενο νερό είναι σε υγρή μορφή: ΔG=237.13kJ/mol και ΔΗ=238.13kJ/mol ενώ όταν το παραγόμενο νερό είναι σε αέρια μορφή: ΔG=228.57kJ/mol και ΔΗ=241.82kJ/mol. Με αντικατάσταση των παραπάνω τιμών στη σχέση (9-100), προκύπτει ο θεωρητικός (μέγιστος) βαθμός απόδοσης: η th = 83% (υγρό) η th = 94.5% (αέριο) Στην πράξη ο βαθμός απόδοσης είναι μικρότερος, λόγω της ύπαρξης απωλειών [Παράγραφος ]. Έτσι ο Vcell πραγματικός βαθμός απόδοσης δίνεται από τη σχέση: η el = (9-101) ( ΔH 2F) όπου V cell είναι η τάση της κυψέλης καυσίμου (Volt) και F είναι η σταθερά Faraday (Cb/mol) Οι κυψέλες καυσίμου θεωρούνται ως μία από τις πολλά υποσχόμενη νέα τεχνολογία, για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του πλανήτη. Αντίθετα με τις κοινές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούν συμβατικές τεχνολογίες, τα συστήματα κυψελών καυσίμου μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα σε μεγάλο εύρος ισχύος, από μερικά Watt, έως μονάδες των MW. Επειδή η αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου είναι εξαιρετικά απλή, δηλαδή ο ηλεκτρισμός παράγεται χωρίς να απαιτείται η χρήση περιστρεφόμενων μηχανικών μερών και ο βαθμός απόδοσης τους φτάνει σε επίπεδα πολύ μεγαλύτερα από αυτά των μεγάλων συμβατικών μηχανών, (Σχήμα 9.43). Σχήμα 9.43: Βαθμοί απόδοσης διαφόρων τεχνολογιών ηλεκτρικής ισχύος Ένας τομέας στον οποίο η εφαρμογή της τεχνολογίας των κυψελών καυσίμου θα επιφέρει σημαντικά αποτελέσματα, είναι συμπαραγωγή ενέργειας και θερμότητας (CHP), [Παράγραφος ]. Με τη χρησιμοποίηση της κυψέλης καυσίμου το σύστημα παράγει σταθερή ηλεκτρική ισχύ ενώ στην περίπτωση που δεν υπάρχει κατανάλωση ισχύος από μια εξωτερική συσκευή η περίσσεια της ισχύος μεταφέρεται σε μια αποθηκευτική συσκευή. Ένα ποσό θερμότητας χάνεται με τα εξερχόμενα καυσαέρια, επομένως η συνδυασμένη απόδοση παραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας, είναι μικρότερη από 100%, πρακτικά κοντά στο 80%. Η κατάσταση μπορεί να βελτιωθεί με την μεγιστοποίηση του παραγόμενου ηλεκτρισμού και τη χρησιμοποίηση για την οδήγηση της αντλίας θερμότητας. Οι ΡAFC κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται εκτεταμένα σε CHP συστήματα, και μπορούν να επιτύχουν αποδόσεις της τάξης του 90%.Επίσης κάποιες σποραδικές εφαρμογές για τέτοιου είδους συστήματα έχουν γίνει με κυψέλες καυσίμου MCFC και SOFC. Ένα παράδειγμα χρήσης της κυψέλης καυσίμου σε CHP σύστημα φαίνεται στο Σχήμα 9.44.

48 Σχήμα 9.44: Διάγραμμα συστήματος συμπαραγωγής ισχύος 1kW Το βασικό πρόβλημα στις τεχνολογίες αξιοποίησης της ηλιακής, αιολικής και υδάτινης ενέργειας σχετίζεται με τη διαθεσιμότητά τους, αφού οι δύο αυτές μορφές ενέργειας δεν είναι πάντα διαθέσιμες, ενώ επίσης δεν είναι εφικτή η ακριβής πρόβλεψη της διαθεσιμότητάς τους σε ένα μελλοντικό χρονικό ορίζοντα. Για να υπερκεράσουμε αυτούς τους περιορισμούς μπορούμε να καταφεύγουμε σε υβριδικά συστήματα ηλιακοί/αιολικοί/υδροηλεκτικοί σταθμοί σε συνδυασμό τεχνολογίες υδρογόνου (αποθήκευση υδρογόνου/ συστήματα κυψελών καυσίμου), [Παράγραφος 9.5.2]. Σχήμα 9.45: Σύστημα κυψέλης καυσίμου συνδεδεμένο με Φ/Β σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος, (υβριδικό σύστημα) Οι κυψέλες καυσίμου φυσικού αερίου (Νatural Gas Fuel Cell, NGFC) αποτελούν έναν απλό και αξιόπιστο τρόπο για να βελτιωθεί η χρήση του φυσικού αερίου και η απόδοσή της. Η τεχνολογία αυτή μετατρέπει το φυσικό αέριο σε ηλεκτρισμό, ώστε να παρέχει ένα ήσυχο, καθαρό και σε υψηλή απόδοση επί τόπου (on-site) σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ παράλληλα αποτελεί και πηγή θερμής ενέργειας. Τα NGFC παρέχουν αποτελεσματική εξυπηρέτηση για επί τόπου παραγωγή ενέργειας, ικανοποιώντας τις ανάγκες για ηλεκτρισμό, θερμότητα και ζεστό νερό. Για περιοχές με χαμηλό κόστος φυσικού αερίου και υψηλό κόστος ηλεκτρικής ενέργειας, η τεχνολογία αυτή μπορεί να αποτελέσει μια οικονομικά συμφέρουσα εναλλακτική ενεργειακή λύση. Στο βιομηχανικό τομέα με τη χρήση κυψελών καυσίμου παρέχεται αξιόπιστο και υψηλής ποιότητας ηλεκτρικό ρεύμα. Συνήθως χρησιμοποιούνται SOFC και MCFC που είναι κατάλληλες για συμπαραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από την εκπεμπόμενη θερμότητα λόγω της υψηλής θερμοκρασίας λειτουργίας. Τέλος, Οι κυψέλες καυσίμου είναι πολύ χρήσιμες σε απομακρυσμένες περιοχές όπως διαστημόπλοια ή απομακρυσμένοι μετεωρολογικοί σταθμοί, μεγάλα πάρκα, αστικές περιοχές, και σε συγκεκριμένες στρατιωτικές εφαρμογές. Ένα σύστημα κυψέλης καυσίμου υδρογόνου είναι συμπαγές είναι ελαφριά κατασκευή και δεν έχει πολλά κινούμενα μέρη. Λόγω αυτού του πλεονεκτήματος, και του γεγονότος ότι δεν συμπεριλαμβάνεται διεργασία καύσης στις δραστηριότητές του μπορεί να επιτύχει 100% αξιοπιστία.