Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών:

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΒΑΣΚΑΝΤΗΡΑ ΓΕΩΡΓΙΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6945 Θέμα: ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΥΒΡΙΔΙΩΝ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα 2012

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΥΒΡΙΔΙΩΝ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ» της φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΒΑΣΚΑΝΤΗΡΑ ΓΕΩΡΓΙΟΥ Α.Μ.: 6945 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 9 / 10 / 2012 Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής 2

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στα πλαίσια της εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής εργασίας θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαιτέρως την Επίκουρη Καθηγήτρια του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, κυρία Ελευθερία Πυργιώτη που μου εμπιστεύτηκε ένα τόσο ενδιαφέρον θέμα καθώς και για τη βοήθεια και την υπομονή που έδειξε στο πρόσωπό μου. Επίσης, οφείλω ιδιαίτερες ευχαριστίες στον τελειόφοιτο φοιτητή του τμήματος μου, Βέλιο Κωσταντίνο για τη συνέργασία, την καθοδήγηση και τις πληροφορίες που ένθερμα μου παρείχε κατά τη λήψη των μετρήσεων. Στη συνέχεια, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους φίλους μου. Ο καθένας ξέρει το λόγο... Τέλος, ένα μεγάλο «ευχαριστώ» στην οικογένεια μου που ήταν, είναι και θα είναι πάντα στυλοβάτης σε κάθε βήμα στη ζωή μου. 3

4 Η εργασία αφιερώνεται στους τέσσερις που... μ έμαθαν να κοιτάζω πάντα το φως... 4

5 ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ:.../2012 ΤΙΤΛΟΣ: «Επεξεργασία πειραματικών μετρήσεων σε σύστημα μεταλλικών υβριδίων κυψέλης καυσίμου» ΦΟΙΤΗΤΗΣ: Γεώργιος Βασκαντήρας ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ: Ελευθερία Πυργιώτη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας στο πρώτο μέρος της, είναι η διεξαγωγή και επεξεργασία μετρήσεων με στόχο τη μελέτη των κυψέλων υδρογόνου και την επίδραση της θερμοκρασίας στην απόδοσή τους. Στο δεύτερο μέρος, θα μελετηθεί η ανάπτυξη αυτόνομων υβριδικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας για την τροφοδότηση δύο περιοχών, με σκοπό την ανεύρεση του πιο συμφέροντος συνδυασμού ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια θεωρητική αναφορά στις κυψέλες υδρογόνου. Περιγράφονται συνοπτικά η δομή, οι κατηγορίες, τα πλεονεκτήματα, τα μειονεκτήματα μιας κυψέλης καυσίμου. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφονται τα μηχανήματα και ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις στις διάφορες συνθήκες. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι μετρήσεις με στόχο την σύγκριση των αποδόσεων σε διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας στη κυψέλη. Παρουσιάζεται επίσης η κατανάλωση καυσίμου, η θερμοκρασία και πίεση των φιαλών και η θερμοκρασία της κυψέλης με τη πάροδο του χρόνου. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται εκτεταμένη περιγραφή του προγράμματος HOMER, το οπoίο εκτελεί προσομοιώσεις υβριδικών συστημάτων παρουσιάζοντας το βέλτιστο συνδυασμό τους τεχνοοικονομικά. Στο Κεφάλαιο 5 αφού γίνεται μια αρχική αναφορά στις δύο περιοχές όπου πραγματοποιείται η μελέτη καθώς και η ενεργειακή κατανάλωση των κατοίκων, έπειτα καταγράφονται τα τεχνολoγικά στοχεία των εξαρτημάτων που χρησιμοποιήθηκαν. Ακολουθεί η εκτεταμένη περιγραφή του κάθε υβριδικού 5

6 συστήματος με σχηματικές απεικονίσεις και ερμηνεία των διαγραμμάτων που προκύπτουν από τη προσομοίωση. Στο Κεφάλαιο 6 πραγματοποιείται σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τα δύο μέρη της διπλωματικής. Από το πρώτο μέρος συμπεραίνουμε ότι η επίδραση της θερμοκρασίας είναι καταλυτική τόσο στη λειτουργία όσο και στη απόδοση του συστήματος. Στο δεύτερο μέρος, επιβεβαιώθηκε ότι οι τιμές των συστημάτων που χρησιμοποιούν ΑΠΕ είναι ακόμα αρκετά υψηλές. Ιδίως οι τιμές κελιών καυσίμου και γενικότερα τις τεχνολογίας του Η 2 είναι ακόμα σε αρχικά στάδια χρήσης της όποτε και είναι λογικό μέχρι να βγει σε ευρεία παραγωγή στην ελεύθερη αγορά να είναι αρκετά δαπανηρή. Οι προβλέψεις των επιστημόνων είναι αρκετά ευοίωνες για το μέλλον τόσο στην ευρύτερη χρήση των ΑΠΕ που υπάρχουν άφθονες στην καθημερινότητα μας όσο και για την μείωση του κόστους τους. Τέλος, το συμπέρασμα που προκύπτει από τη παρούσα διπλωματική είναι ότι το μέλλον θα ανήκει στην τεχνολογία του υδρογόνου, αφού ξεπεραστούν βέβαια πρώτα κάποια εμπόδια οικονομικής φύσεως. 6

7 TITLE: Elaboration of experimental results of a metal hybrid fuel cell system ABSTRACT The aim of the following essay in the first part, is the conduct and elaboration of measurements aiming at the study of fuel cell and the impact of temperature on its efficiency. In the second part, it will be examined how an hybrid system with renewable energy sources can meet the electric load demands of two areas. In Chapter 1 there is a theoretical report in fuel cell technology. The structure, the operation, the types, the advantages and disadvantages of fuel cell are briefly described. In Chapter 2 experimental apparatus and the way measurements were conducted in different conditions are described. In Chapter 3 the presented measurements aim at the comparison of the efficiency of fuel cell in different temperature conditions. Furthermore, while time goes by, fuel consumption, temperature and pressure of hydrogen storage canisters are examined. In Chapter 4 the Micro Power Optimization Model HOMER is described extensively. Different hybrid systems are simulated in this program in order to find the most economical solution for our areas. In Chapter 5 is given the location of the study as well as the load going to be covered by the hybrid system. Moreover, a description of technological elements is reported too. Extensive description of each hybrid system with schematic depictions and interpretation of curves that result from the simulation follows. Finally, in Chapter 6 all the results are compared together. It is easily conceivable that temperature plays a significant role in operation and efficiency of our system. In the second part, it is obvious that hybrid systems are still costly enough. Scientists try to work on it, in order to make them affordable and exploit renewable sources to the full. Taking everything into consideration, the conclusion that derives is that the future belongs to the technology of hydrogen. 7

8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) 1.1 Εισαγωγή Σύντομη ιστορική αναδρομή Αρχή λειτουργίας κυψέλης καυσίμου Τύποι κυψελών καυσίμου Ανάλυση της κυψέλης καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) Αρχή λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου ΡΕΜ Δομή της κυψέλης καυσίμου ΡΕΜ Μεμβράνη Ηλεκτρόδια Στρώμα διάχυσης αερίων Πλάκα ροής των αερίων και διπολική πλάκα Μηχανισμοί που προκαλούν πτώση τάσεως Απώλειες ενεργοποίησης Ωμικές απώλειες Μείωση στη συγκέντρωση των αντιδρώντων Χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος της κυψέλης Πλεονεκτήματα και Εφαρμογές ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 TO ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ «Nexa Power Module» Εισαγωγή To ολοκληρωμένο σύστημα «Nexa Power Module» Εισαγωγή To σύστημα τροφοδοσίας υδρογόνου To σύστημα τροφοδοσίας αέρα To σύστημα ψύξης To ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου Τα συστήματα ασφαλείας Κανονική λειτουργία Υπόλοιπα στοιχεία πειραματικής διάταξης Ηλεκτρολύτης (Electrolyser) Φιάλες αποθήκευσης υδρογόνου (Solid Hydrogen Storage Canisters)

9 Εναλλάκτης θερμότητας ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Εικονική απεικόνιση πειραματικής διάταξης Παραγωγή υδρογόνου και αποθήκευση σε φιάλες Απόδοση συστήματος κυψέλης υδρογόνου και επίδραση της θερμοκρασίας δωματίου και του εναλλάκτη θερμότητας Φορτίο 670W χωρίς εναλλάκτη θερμότητας σε ψυχρό περιβάλλον (17 o C) Φορτίο 670W με εναλλάκτη θερμότητας σε ψυχρό περιβάλλον (17 o C) Φορτίο 700W χωρίς εναλλάκτη θερμότητας σε θερμό περιβάλλον (30 o C) Φορτίο 700W με εναλλάκτη θερμότητας σε θερμό περιβάλλον (30 o C) Φορτίο 960W χωρίς εναλλάκτη θερμότητας σε θερμό περιβάλλον (32 o C) Φορτίο 970W με εναλλάκτη θερμότητας σε ψυχρό περιβάλλον(16 o C) Φορτίο 960W με εναλλάκτη θερμότητας σε σε θερμό περιβάλλον (31 o C) KΕΦΑΛΑΙΟ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ HOMER Οικονομικά Στοιχειά Πληροφορίες Σχετικά Με Το Πρόγραμμα Προσομοίωσης HOMER Εισαγωγή Φυσική Διαμόρφωση (Physical Modeling) Πηγές Στοιχεία Συστημάτων Οικονομική Διαμόρφωση (Economic Modeling) ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΑΥΤΟΝΟΜΩΝ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εισαγωγή Σκοπός της Παρούσας Εργασίας Στοιχεία Υβριδικών Συστημάτων ΦΒ συστοιχία Ανεμογεννήτρια Γεννήτρια πετρελαίου (Diesel Generator) Μπαταρίες Αντιστροφέας

10 5.3.6 Κυψέλες Καυσίμου (FUEL CELL) Ηλεκτρολύτης (Electrolyser)[ Αποθήκευση υδρογόνου (Hydrogen Tank) Οικονομικά στοιχεία εξομοίωσης και περιορισμοί Εξομοίωση Αυτόνομου Υβριδικού Συστήματος Τουρλίδας Ενεργειακές Απαιτήσεις Φορτίου Ηλιακά Δεδομένα Περιοχής Ταχύτητα Ανέμου PV-diesel υβριδικό σύστημα Περιγραφή Εξομοίωση του PV-Diesel συστήματος Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του PV-Diesel συστήματος WIND-diesel υβριδικό σύστημα Περιγραφή Εξομοίωση του WIND-diesel υβριδικού συστήματος Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του WIND-Diesel υβριδικού συστήματος WIND-PV υβριδικό σύστημα Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Εξομοίωση του WIND-PV υβριδικού συστήματος Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του WIND-PV συστήματος PV-Hydroqen υβριδικό Σύστημα Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Εξομοίωση του PV-Hydroqen υβριδικού συστήματος Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του PV-Hydroqen υβριδικού συστήματος Εξομοίωση Αυτόνομου Υβριδικού Συστήματος Ελληνικών Ενεργειακές Απαιτήσεις Φορτίου Ηλιακά Δεδομένα Περιοχής Ταχύτητα Ανέμου PV-diesel υβριδικό σύστημα Εξομοίωση του PV-Diesel συστήματος Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του PV-Diesel συστήματος WIND-diesel υβριδικό σύστημα Εξομοίωση του WIND-diesel υβριδικού συστήματος

11 Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του WIND-Diesel υβριδικού συστήματος WIND-PV υβριδικό σύστημα Εξομοίωση του WIND-PV υβριδικού συστήματος Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του WIND-PV συστήματος PV-Hydroqen υβριδικό Σύστημα Εξομοίωση του PV-Hydroqen υβριδικού συστήματος Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του PV-Hydroqen υβριδικού συστήματος ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΠΡΟΒΛΕΨΕΙΣ Συμπεράσματα Α Μέρους Συμπεράσματα Β Μέρους ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ-ΑΝΑΦΟΡΕΣ

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) 1.1 Εισαγωγή [1] Η ανάγκη απεξάρτησης από τα συμβατικά καύσιμα οδήγησε τους επιστήμονες στη μελέτη σύγχρονων εναλλακτικών τρόπων μετασχηματισμού άλλων μορφών ενέργειας σε ηλεκτρική. Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούν σήμερα μία ελκυστική δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, κυρίως από υδρογόνο και συγκαταλέγονται μεταξύ των πιο ελπιδοφόρων τεχνολογιών του μέλλοντος για την αντικατάσταση των συσσωρευτών. Η λειτουργία τους στηρίζεται σε απευθείας μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Οι κυψέλες καυσίμου προσφέρουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς εκπομπή ρύπων, με υψηλό βαθμό απόδοσης και μεγάλη βιωσιμότητα. Οι λόγοι αυτοί οδήγησαν στη λεπτομερή μελέτη εκ μέρους των επιστημονικών κοινοτήτων της νέας αυτής τεχνολογίας, η οποία αντιμετωπίζεται πλέον ως μία ελπιδοφόρα δυνατότητα παραγωγής ενέργειας. Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να καλύψουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από τις ανάγκες ηλεκτροδότησης ενός σπιτιού έως τα συστήματα ηλεκτροκίνησης που παρουσιάζουν άμεσο ενδιαφέρον, όπως η εφαρμογή σε ηλεκτρικά και υβριδικά οχήματα. Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούν ένα μηχανισμό για την ηλεκτροχημική μετατροπή της ενέργειας μετατρέποντας υδρογόνο και οξυγόνο σε νερό, παράγοντας ταυτόχρονα με τη διαδικασία αυτή ηλεκτρισμό και θερμότητα ηλεκτρισμός παράγεται με τη μορφή συνεχούς ρεύματος. Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να χαρακτηριστούν σαν κέντρα ενός συστήματος το οποίο χρησιμοποιεί το υδρογόνο ως καύσιμο. Είναι αυτές οι οποίες αναλαμβάνουν τη μετατροπή του καυσίμου σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. 12

13 1.2 Σύντομη ιστορική αναδρομή[2],[3],[4],[5],[6] To 1839 ο Sir William Grove ανέπτυξε την πρώτη κυψέλη καυσίμου στην Αγγλία. Ο Grove πίστευε ότι αφού είναι δυνατόν να διαχωριστεί το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο με τη βοήθεια της ηλεκτρικής ενέργειας (ηλεκτρόλυση), τότε η αντίστροφη διαδικασία αντιδρώντας το οξυγόνο με το υδρογόνο και παράγοντας ηλεκτρισμό πρέπει να είναι επίσης εφικτή. Για να δοκιμάσει αυτή τη θεωρία, τοποθέτησε δύο λωρίδες πλατίνας σε χωριστές σφραγισμένες φιάλες, το ένα περιείχε υδρογόνο και το άλλο οξυγόνο. Όταν τα δοχεία αυτά ήταν βυθισμένα σε αραιό θειικό οξύ, ηλεκτρικό ρεύμα άρχισε να ρέει ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόδια και να παράγεται νερό στις φιάλες αερίου. Για να αυξήσει την ηλεκτρική τάση που παράγεται, ο Grove συνέδεσε αρκετές από αυτές τις συσκευές στη σειρά,έτσι ώστε να κατασκευάσει αυτό που εκείνος ονόμασε ως «μπαταρία αερίων». Οι χημικοί Ludwig Mond και Charles Langer επινόησαν τον όρο «κυψέλη καυσίμου» το 1889, καθώς προσπαθούσαν να κατασκευάσουν την πρώτη συγκεκριμένη συσκευή χρησιμοποιώντας ατμοσφαιρικό αέρα και βιομηχανικά αέρια του άνθρακα. Επιστήμονες και μηχανικοί σύντομα κατάλαβαν ότι θα έπρεπε να ξεπεραστούν πολλά εμπόδια, ώστε αυτή η νέα τεχνολογία να είναι εμπορικά διαθέσιμη. Μέχρι το τέλος του 19ου αιώνα, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης ήταν στο επίκεντρο και η εκτεταμένη εκμετάλλευση των ορυκτών καυσίμων απομάκρυνε το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας από τις κυψέλες καυσίμου. Σχήμα1.1:Απεικόνιση της διάταξης του Sir William Grove (α) Η ηλεκτρόλυση του νερού. To νερό διασπάται σε υδρογόνο και οξυγόνο με τη βοήθεια ηλεκτρικού ρεύματος.(β)ροή ηλεκτρικού ρεύματος-το οξυγόνο και το υδρογόνο επανενώνονται(τα βέλη στο σχήμα αναπαριστούν τη ροή των ηλεκτρονίων από το - στο +). 13

14 To επόμενο μεγάλο κεφάλαιο στην ιστορία των κυψελών καυσίμου γράφτηκε από το μηχανικό, Δρ.Thomas Francis Bacon, στο Πανεπιστήμιο του Cambridge της Αγγλίας.To 1932, ο Bacon επανέφερε στο προσκήνιο την κυψέλη που είχαν αναπτύξει οι Mond και Langer, εφαρμόζοντας διάφορες τροποποιήσεις στο αρχικό σχέδιο. Αυτές συμπεριλάμβαναν την αντικατάσταση των ηλεκτροδίων πλατίνας με νικελίου γάζας που είναι λιγότερο δαπανηρά. Επίσης, αντικατέστησε τους ηλεκτρολύτες θειικού οξέως με αλκαλικό υδροξείδιο του καλίου, μια ουσία λιγότερο διαβρωτική για τα ηλεκτρόδια. Αυτή η συσκευή η οποία ονομάστηκε «Κυψέλη Bacon», ήταν στην ουσία η πρώτη αλκαλική κυψέλη καυσίμου(afc).θα περάσουν άλλα 27 χρόνια έως ότου ο Bacon θα μπορέσει να υλοποιήσει μια πραγματικά λειτουργική κυψέλη καυσίμου.to 1959, ο Bacon θα παρουσιάσει μια κυψέλη καυσίμου ικανή να παράγει 6 kw ηλεκτρική ισχύ.επίσης, στο τέλος του 1959 ο Harry Karl Ihrig κατασκεύασε το πρώτο όχημα-κυψελών καυσίμου με ικανότητα ιπποδύναμης 20 hp(15kw). Στο πιο πρόσφατο παρελθόν και ξεκινώντας από τα μέσα της δεκαετίας του 50 και τις αρχές της δεκαετίας του 60 έχουμε την εμφάνιση ενός ζωηρού ενδιαφέροντος για την κυψέλη καυσίμου. Η NASA έψαχνε έναν τρόπο για να τροφοδοτήσει μια σειρά από επικείμενες διαστημικές πτήσεις. Η χρησιμοποίηση μπαταριών για την τροφοδοσία είχε ήδη αποκλειστεί λόγω του πολύ μεγάλου βάρους. Η ηλιακή ενέργεια ήταν υπερβολικά ακριβή για εκείνη την εποχή και η πυρηνική ενέργεια ήταν αρκετά επικίνδυνη. Έτσι, στην αναζήτηση της NASA για εναλλακτικό τρόπο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, η κυψέλη καυσίμου κρίνεται ως μια πιθανή λύση. Η NASA ξεκινάει την χρηματοδότηση ερευνών για την ανάπτυξη πρακτικά εφαρμόσιμων κυψελών καυσίμου που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν κατά τη διάρκεια των διαστημικών πτήσεων. Αυτές οι έρευνες καρποφορούν τελικά με την κατασκευή της πρώτης κυψέλης καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cell-PEMFC). Με αποτέλεσμα τα διαστημικά προγράμματα Gemini, Apollo και Spacelab να χρησιμοποιήσουν κυψέλες καυσίμου. Κατά τη διάρκεια τώρα της δεκαετίας του 70, η τεχνολογία των κυψελών καυσίμου αρχίζει να αναπτύσσεται κυρίως για συστήματα στη γη. To πετρελαϊκό εμπάργκο του 1973 και του 1979 έδωσε ώθηση στην ερευνητική προσπάθεια για τις κυψέλες καυσίμου, καθώς οι Η.Π.Α και οι 14

15 ευρωπαϊκές χώρες έψαχναν τρόπο ώστε να είναι λιγότερο εξαρτημένες από εισαγωγές πετρελαίου. Μια σειρά από εταιρείες και κυβερνητικές οργανώσεις ξεκίνησαν σοβαρή έρευνα για την υπέρβαση των εμποδίων ώστε να υπάρξει εμπορική εκμετάλλευση των κυψελών καυσίμου. Καθ 'όλη τη δεκαετία του 1970 και του 1980, όλη η ερευνητική προσπάθεια ήταν αφοσιωμένη στην ανάπτυξη των υλικών που χρειάζονται, προσδιορίζοντας τη βέλτιστη πηγή καυσίμου και μειώνοντας δραστικά το κόστος της τεχνολογίας αυτής. Κατά τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει μεγάλα τεχνικά άλματα με αποτέλεσμα οι κυψέλες καυσίμου να αρχίζουν να έχουν εφαρμογή σε ένα μεγάλο πλέον εύρος. 1.3 Αρχή λειτουργίας κυψέλης καυσίμου [6],[7],[8],[9],[10] Οι κυψέλες καυσίμου είναι συσκευές ηλεκτροχημικής μετατροπής της ενέργειας. Ενώνουν ηλεκτροχημικά ένα καύσιμο, που κατά κανόνα είναι υδρογόνο, με ένα οξειδωτικό. Η χημική αντίδραση που πραγματοποιείται μέσα στην κυψέλη οδηγεί στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με ταυτόχρονη παραγωγή νερού και έκλυση θερμότητας, καθώς αντιδρά το καύσιμο με το οξυγόνο. Η συνεχής εισροή του καυσίμου είναι αναγκαία για τη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου. Οι κυψέλες καυσίμου πλεονεκτούν έναντι των μηχανών εσωτερικής καύσης και των μπαταριών σε πολλά σημεία. Η παραγωγή μηχανικής ενέργειας στις μηχανές εσωτερικής καύσης πραγματοποιείται με τη μετατροπή της χημικής ενέργειας του καυσίμου σε θερμική, αναμιγνύοντας το καύσιμο με το οξυγόνο σε υψηλές θερμοκρασίες. Η παραγόμενη θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική με αρκετές όμως απώλειες λόγω του περιορισμού του κύκλου Carnot. Η απουσία του περιορισμού αυτού είναι και το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των κυψελών καυσίμου λόγω της απευθείας μετατροπής της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική και επομένως του μεγαλύτερου βαθμού απόδοσης. Ένα άλλο πλεονέκτημα των κυψελών είναι οι χαμηλές εκπομπές ρύπων, ειδικά στην περίπτωση των κυψέλων καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, όπου το προϊόν της χημικής αντίδρασης, όπως θα δούμε παρακάτω, είναι το νερό που συνοδεύεται από ταυτόχρονη έκλυση θερμότητας. 15

16 Οι μπαταρίες από την άλλη πλευρά, είναι και αυτές ηλεκτροχημικές συσκευές που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια άμεσα σε ηλεκτρική. Η κύρια διαφορά τους με τις κυψέλες εντοπίζεται στο γεγονός ότι η μπαταρία περιέχει τα αντιδρώντα στο εσωτερικό της συνεπώς όταν εκφορτιστεί πρέπει να αντικατασταθεί ή να φορτιστεί εκ νέου. Σε αντιδιαστολή με την μπαταρία, τα αντιδρώντα στην κυψέλη καυσίμου είναι αποθηκευμένα εξωτερικά και πρέπει να υπάρχει συνεχής τροφοδότησή τους για την εύρυθμη λειτουργία της. Τα αντιδρώντα της κυψέλης που είναι συνήθως υδρογόνο και ατμοσφαιρικός αέρας είναι αποθηκευμένα σε δεξαμενές υψηλής πίεσης οι οποίες επιτρέπουν την εύκολη αντικατάστασή τους. Επομένως, τα πλεονεκτήματα της κυψέλης καυσίμου σε σχέση με τις παραπάνω μεθόδους συνοπτικά είναι τα εξής: Πλεονεκτήματα έναντι των μηχανών εσωτερικής καύσης Αποτελούν πιο καθαρή πηγή ενέργειας. Οι κυψέλες καυσίμου παράγουν μόνο ηλεκτρική ενέργεια, θερμότητα και νερό. To υδρογόνο όμως δεν απαντάται μόνο του στη φύση, οπότε πρέπει να παραχθεί. Η παραγωγή υδρογόνου γίνεται βασικά με τρεις τρόπους: με τη χρήση ορυκτών καυσίμων, με τη βοήθεια ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η φωτοβολταϊκή, η αιολική, η γεωθερμική και η βιομάζα, και τέλος με ηλεκτρόλυση. Επικρατέστερη μέθοδος παραγωγής υδρογόνου αυτή τη στιγμή είναι η αναμόρφωση του φυσικού αερίου. Ακόμα πάντως και σε αυτή την περίπτωση, που το υδρογόνο παράγεται από ορυκτό καύσιμο, η ρύπανση που προκαλείται είναι αρκετά μικρότερη σε σύγκριση με τις μηχανές που λειτουργούν με ορυκτά καύσιμα. Έχουν μεγαλύτερη απόδοση. Οι κυψέλες καυσίμου δε λειτουργούν σε θερμοδυναμικό κύκλο, επομένως δεν έχουν το αντίστοιχο αυστηρό όριο για την απόδοση, αλλά ισχύει για αυτές το όριο απόδοσης της χημικής αντίδρασης, το οποίο όμως είναι υψηλότερο. Ακόμα, τα μηχανικά μέρη που χρειάζονται, για παράδειγμα οι αντλίες, έχουν πολύ λιγότερες απώλειες από τα κινούμενα μέρη μιας μηχανής. Με συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας, η απόδοση μπορεί να ξεπεράσει το 90%. Είναι πολύ πιο αθόρυβες, καθώς τα κινούμενα μηχανικά μέρη είναι ελάχιστα. 16

17 Είναι πιο αξιόπιστες, για τον ίδιο λόγο. Η συντήρησή τους είναι ευκολότερη. Λειτουργούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Ανταποκρίνονται πιο γρήγορα στις μεταβολές του φορτίου. Ευνοούν την κατανεμημένη παραγωγή ενέργειας. Πλεονεκτήματα έναντι των μπαταριών Οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ενέργεια όσο τροφοδοτούνται με υδρογόνο και οξυγόνο. Αντίθετα οι μπαταρίες χρειάζονται φόρτιση. Τα συστήματα κυψελών καυσίμου είναι ελαφρύτερα σε σχέση με τα αντίστοιχα συστήματα με μπαταρίες. Οι κυψέλες υδρογόνου είναι πιο αξιόπιστες, χρειάζονται λιγότερο τακτικά συντήρηση και έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Μειονεκτήματα των κυψελών καυσίμου To κόστος των κυψελών καυσίμου είναι ακόμα πολύ υψηλό. Η παραγωγή, η μεταφορά, η διανομή και η αποθήκευση του υδρογόνου παρουσιάζουν πολλές δυσκολίες. Ακόμα, η δημιουργία των κατάλληλων υποδομών για το δίκτυο μεταφοράς και διανομής του υδρογόνου απαιτεί τεράστια κεφάλαια. To αέριο υδρογόνο έχει πολύ μεγάλο όγκο και αποθηκεύεται δύσκολα. Ακόμα και το υγρό υδρογόνο έχει πολύ μεγαλύτερο όγκο από ποσότητα πετρελαίου που αποδίδει την ίδια ποσότητα ενέργειας. Συνυπολογίζοντας όλο τον εξοπλισμό που χρειάζονται για τη λειτουργία τους, τα συστήματα κυψελών καυσίμου είναι βαρύτερα και πιο ογκώδη από μηχανές εσωτερικής καύσης, που είναι ικανές να παράγουν αντίστοιχη ποσότητα ενέργειας. Ως προς τη δομή, η κυψέλη καυσίμου αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια (άνοδο και κάθοδο), τα οποία χωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη. To στρώμα της ανόδου και της καθόδου αποτελείται από το στρώμα διάχυσης αερίων, που είναι υπεύθυνο για την ομοιόμορφη κατανομή των αερίων στην επιφάνεια του καταλύτη. 17

18 Οι αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στην κυψέλη συμβαίνουν στην επιφάνεια πριν τον ηλεκτρολύτη, η οποία είναι εμπλουτισμένη με έναν καταλύτη συνήθως λευκόχρυσος ή παλλάδιο. Σχήμα 1.2:Λειτουργία Κυψέλης Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την αντίδραση του οξυγόνου με το καύσιμο (υδρογόνο, μεθάνιο, μεθανόλη) μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Για την ακρίβεια η απόσπαση των ηλεκτρονίων από τα μόρια του καυσίμου οδηγούνται σε ένα εξωτερικό κύκλωμα, παράγοντας με αυτόν τον τρόπο ηλεκτρική ενέργεια. Η θεωρητική τιμή της τάσεως για κυψέλες καυσίμου υδρογόνου κυμαίνεται στα 1.23V για θερμοκρασία 25 ο C. Στην πράξη όμως το φάσμα των τιμών της τάσεως είναι περίπου V. Για την επίτευξη μεγαλύτερης τάσεως συνδέονται πολλές κυψέλες μαζί, δημιουργώντας μια συστοιχία κυψελών (stack). 1.4 Τύποι κυψελών καυσίμου[11],[12] Ανάλογα με την περιοχή χρησιμοποίησης, οι κυψέλες καυσίμου διακρίνονται σε πέντε κύριους τύπους. Τα ονόματα των κυψελών προσδιορίζουν το είδος του μεταφερόμενου ιόντος που διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη. Η βασική δομή των 18

19 κυψελών αυτών είναι όμοια, διαφοροποιούνται όμως ως προς το είδος του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιούν, τη θερμοκρασία λειτουργίας, τους καταλύτες, την καθαρότητα των αντιδρώντων και τις επιμέρους χημικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται. Οι κύριοι τύποι κυψελών καυσίμου είναι: Αλκαλική κυψέλη καυσίμου (Alkaline Fuel Cell-AFC) Κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane-PEMFC) Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cell-PAFC) Κυψέλη καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων (Molten Carbonate Fuel Cell- MCFC) Κυψέλη καυσίμου στερεών οξειδίων (Solid Oxide Fuel Cell-SOFC) Για την εμπορική χρήση σε επίπεδο χαμηλής θερμοκρασιακής λειτουργίας έχει προταθεί η κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων(pemfc), ενώ σε υψηλή θερμοκρασιακή λειτουργία η κυψέλη καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων (MCFC) και η στερεών οξειδίων (SOFC). Σχήμα1.3: H δομή των διαφόρων τύπων κυψελών καυσίμου 19

20 Πίνακας1.1 :Αντιδράσεις ανόδου και καθόδου 1.5 Ανάλυση της κυψέλης καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) [6] Σε αυτό το κεφάλαιο θα αναλυθεί η κυψέλη καυσίμου τύπου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων. Η χρήση αυτών των κυψελών σε εφαρμογές ηλεκτροκίνησης έχει μελετηθεί ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια διότι παρουσιάζουν μεγάλο βαθμό απόδοσης σε σύγκριση με τις μηχανές εσωτερικής καύσης. Επιπλέον, οι μηχανές εσωτερικής καύσης παράγουν διοξείδιο του άνθρακα σε αντίθεση με τις κυψέλες καυσίμου τύπου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, οι οποίες παράγουν μόνο νερό. Χαρακτηριστικό των κυψελών καυσίμου ΡΕΜ είναι η υψηλή πυκνότητα ισχύος, ο στερεός ηλεκτρολύτης, η μεγάλη διάρκεια ζωής και η ανθεκτικότητα τους Αρχή λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου ΡΕΜ Σχήμα 1.4 :Χημικές αντιδράσεις μέσα στην κυψέλη καυσίμου ΡΕΜ 20

21 Σε κάθε τύπο κυψέλης καυσίμου πραγματοποιείται μια οξειδοαναγωγή στα ηλεκτρόδια της. Στην άνοδο της κυψέλης καυσίμου ΡΕΜ οξειδώνεται το υδρογόνο Η 2, ενώ στην κάθοδο έχουμε την αναγωγή του οξυγόνου Ο 2. Οι χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε μία τέτοια κυψέλη είναι οι παρακάτω: Άνοδος: H 2 (g) 2H + (aq) + 2e Κάθοδος: Ολική: Ο 2 (g) + 2H + (aq) + 2e H 2 0(l) H 2 (g) + Ο 2 (g) H 2 0(l) Στην άνοδο το εισερχόμενο υδρογόνο υπό την επίδραση ενός καταλύτη, που όπως θα δούμε παρακάτω είναι ο λευκόχρυσος Pt, οξειδώνεται και διασπάται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια. To μεταφερόμενο ιόν, που στην περίπτωση της κυψέλης καυσίμου PEMFC είναι το κατιόν Η +, μεταφέρεται από την άνοδο στην κάθοδο διασχίζοντας τον ηλεκτρολύτη, ο οποίος είναι αγώγιμος μόνο για πρωτόνια. Τα ηλεκτρόνια που προκύπτουν από την οξείδωση διασχίζουν το εξωτερικό κύκλωμα, παράγοντας ηλεκτρικό έργο και καταλήγουν στην κάθοδο. Στην κάθοδο αυτά τα ηλεκτρόνια αντιδρούν με το εισερχόμενο οξυγόνο (αναγωγή) και με τα πρωτόνια που καταφθάνουν από την άνοδο, διασχίζοντας τον ηλεκτρολύτη. Η χημική αντίδραση που πραγματοποιείται στην κάθοδο έχει ως προϊόν το νερό, το όποιο στη συνέχεια εξάγεται από την κυψέλη ή επαναχρησιμοποιείται στην ενυδάτωση των αερίων αντιδρώντων Δομή της κυψέλης καυσίμου ΡΕΜ Η αποδοτικότητα της κυψέλης καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων είναι συνάρτηση των δομικών στοιχείων που την απαρτίζουν. Ένας παράγοντας που κατέχει σημαντική θέση στην εύρυθμη λειτουργία της είναι η διαχείριση του νερού. H κυψέλη πρέπει να ανατροφοδοτείται με τα αέρια αντιδρώντα και να συλλέγεται το προϊόν της αντίδρασης τους, που είναι το νερό. Η διαχείριση του νερού μέσα 21

22 στην κυψέλη είναι μία κύρια δραστηριότητα που πρέπει να προβλεφθεί διότι συσχετίζεται άμεσα με την αγωγιμότητα της μεμβράνης και με την αντίδραση της αναγωγής στην κάθοδο της κυψέλης. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται η εσωτερική δομή της κυψέλης. Τα κύρια δομικά στοιχεία της είναι: η μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane PEM) τα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου το στρώμα διάχυσης αερίων (Gas Diffusion Layer-GDL) η πλάκα ροής αερίων (Flow Field Plate) και η διπολική πλάκα η συστοιχία κυψελών καυσίμου (stack) Σχήμα1.5:Η εσωτερική δομή της κυψέλης Μεμβράνη Η μεμβράνη της κυψέλης αποτελείται συνήθως από έναν μm ηλεκτρολύτη που είναι αγώγιμος μόνο για τα πρωτόνια. Η μεμβράνη αυτή πρέπει να είναι επίσης αεροστεγής, να είναι μονωτής για τα ηλεκτρόνια και να έχει μεγάλη μηχανική και θερμική αντοχή σε περίπτωση μεταβολής της πίεσης. Οι ηλεκτρολύτες των κυψελών καυσίμου ΡΕΜ αποτελούνται από μία πολυμερή μεμβράνη σε στερεά 22

23 μορφή. To πιο συνηθισμένο πολυμερές που χρησιμοποιείται σήμερα είναι το Nafion (σχήμα 1.5) και έχει δομικές ομοιότητες με το Teflon. Σχήμα 1.6: Δομή του πολυμερούς Nafion (C7HF13O5S C2F4) Από το σχήμα μπορούμε να διακρίνουμε τρεις περιοχές. Η πρώτη περιοχή είναι ο κορμός των φθοροανθράκων (-CF2-CF-CF2- ), η οποία επαναλαμβάνεται εκατοντάδες φορές μέσα στη μεμβράνη. Η δεύτερη περιοχή αποτελείται από την πλευρική αλυσίδα {(Ο-CF2-CF- CF3)-Ο-CF2-CF2-} και συνδέει τον κορμό με την τρίτη περιοχή που αποτελείται από τα ιόντα θειικού οξέος SO 3 -. Συνεπώς, καθώς διασπάται το μόριο του υδρογόνου στην άνοδο, τα μονατομικά κατιόντα υδρογόνου Η + εισέρχονται στη μεμβράνη και μεταπηδούν από ένα μόριο SO 3 στο επόμενο. Για να επιτευχθεί αυτό, η μεμβράνη πρέπει να είναι ενυδατωμένη για να είναι αγώγιμη για τα Η +. Για το λόγο αυτό η θερμοκρασία λειτουργίας πρέπει να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα. Όλη αυτή η λειτουργία αποδεικνύει πόσο σημαντική είναι η διαχείριση του νερού μέσα στην κυψέλη καυσίμου. Στην πράξη η κυψέλη καυσίμου λειτουργεί κάτω από τους 100 C, ενώ σε περιπτώσεις που λειτουργούν κυψέλες καυσίμου πάνω από τους 100 C, πρέπει να επικρατούν συνθήκες υψηλής πίεσης ώστε το νερό να διατηρείται σε υγρή μορφή Ηλεκτρόδια Τα ηλεκτρόδια μαζί με τη μεμβράνη αποτελούν την ΜΕΑ (Membrane Electrode Assembly). Περιέχουν σωματίδια λευκόχρυσου (Pt) ως καταλύτη και παρουσιάζουν καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, μεγάλη επιφάνεια σύνδεσης με τον ηλεκτρολύτη και καλές ιδιότητες μεταφοράς αερίων και ιόντων. Η πορώδης μορφή 23

24 των ηλεκτροδίων επιτρέπει την εύκολη πρόσβαση των αερίων αντιδρώντων στην επιφάνεια αντίδρασης, όπου πραγματοποιείται η οξείδωση και η αναγωγή Ο καταλύτης, ο λευκόχρυσος, προσφέρει υψηλούς ρυθμούς αναγωγής του οξυγόνου, το οποίο είναι απαραίτητο, διότι η αντίδραση της καθόδου είναι περίπου εκατό φορές αργότερη από την αντίδραση της οξείδωσης του υδρογόνου. Στην άνοδο, το υδρογόνο αντιδρά με το λευκόχρυσο και στη συνέχεια διασπάται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια σύμφωνα με την αντίδραση: Η 2 + 2Pt 2 (H - Pt) Η - Pt Η + + e - + Pt Πρέπει να σημειωθεί το γεγονός ότι λόγω του υψηλού κόστους του λευκόχρυσου, τα ηλεκτρόδια κατασκευάζονται από πορώδη άνθρακα, στον οποίο γίνεται ομοιόμορφη διασπορά μορίων λευκόχρυσου, τα οποία προσκολλώνται στα άτομα του άνθρακα. Με αυτόν τον τρόπο ελαχιστοποιείται το κόστος παραγωγής των ηλεκτροδίων Στρώμα διάχυσης αερίων Η κύρια λειτουργία αυτού του στρώματος είναι να διαχέει ομοιόμορφα τα αέρια αντιδρώντα στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων. To στρώμα διάχυσης αερίων (Gas Diffusion Layer) αποτελείται από υδροφοβικό χαρτί γραφίτη που επιτρέπει την εύκολη μεταφορά των αερίων καθώς και την ηλεκτρική αγωγιμότητα των ηλεκτρονίων. To νερό (προϊόν της αντίδρασης) που συγκεντρώνεται στο στρώμα διάχυσης πρέπει να εξάγεται για να μην οδηγήσει την κυψέλη σε πλημμύρισμα, όμως παράλληλα πρέπει να παραμείνει μια ορισμένη ποσότητα νερού ώστε να καταφθάνει στα ηλεκτρόδια και στη μεμβράνη. 24

25 Πλάκα ροής των αερίων και διπολική πλάκα Η πλάκα ροής των αερίων (flow field plate) χαράσσεται πάνω στην τελική πλάκα (από γραφίτη) της ανόδου και της καθόδου σε περίπτωση που πρόκειται για μία μόνο κυψέλη. Επειδή όμως η τάση που εμφανίζει μία συγκεκριμένη κυψέλη καυσίμου είναι μικρή, ενώνονται σε σειρά πολλές κυψέλες, αυξάνοντας με αυτόν τον τρόπο τη λειτουργική τάση. Επομένως είναι αναγκαίο να υπάρχουν πλάκες που να έχουν και από τις δύο πλευρές τους χαραγμένα κανάλια (εξού και το όνομα διπολική πλάκα) ώστε να υπάρχει ομοιόμορφη κατανομή των αερίων στο στρώμα διάχυσης. Τα κανάλια αυτά μπορεί να έχουν, ανάλογα με την κατασκευή, διαφορετική διάρθρωση. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται η δομή μίας συστοιχίας κυψελών καυσίμου. Σχήμα1.7:Συστοιχία Κυψελών Καυσίμων 1.6 Μηχανισμοί που προκαλούν πτώση τάσεως [13],[14] Στην περίπτωση που το παραγόμενο νερό βρίσκεται σε υγρή μορφή, η θεωρητική τιμή της τάσης μιας κυψέλης είναι 1,229V, ενώ στην περίπτωση που το παραγόμενο νερό βρίσκεται σε αέρια κατάσταση η θεωρητική τιμή της τάσης 1,184V. Η διαφορά των δύο τάσεων αντιπροσωπεύει τη λανθάνουσα θερμότητα του 25

26 ατμοποιημένου νερού υπό κανονικές συνθήκες. Στην πράξη η θεωρητική τιμή της τάσης δεν προσεγγίζεται ούτε στην περίπτωση του ανοικτού κυκλώματος. Η τάση ανοικτού κυκλώματος Eocv στην περίπτωση της κυψέλης καυσίμου ΡΕΜ είναι κατά 0,2V χαμηλότερη από τη θεωρητική. Η διαφορά αυτή ονομάζεται τάση πόλωσης ηρεμίας και συμβολίζεται με Εο. Η διαφορά αυτή οφείλεται στην πεπερασμένη ηλεκτρική αντίσταση του ηλεκτρολύτη για τα ηλεκτρόνια, δημιουργώντας ένα ρεύμα διαρροής και συνεπώς ένα εσωτερικό βραχυκύκλωμα, αλλά και στη διάχυση του καυσίμου διαμέσου του ηλεκτρολύτη προκαλώντας πτώση των μερικών πιέσεων. Καθώς συνδέεται φορτίο στο εξωτερικό κύκλωμα που ενώνεται με τα δύο ηλεκτρόδια, ρεύμα ρέει από την άνοδο στην κάθοδο, όσο διάστημα θα υπάρχει ποσότητα υδρογόνου και οξυγόνου που θα αντιδρά. Η διαδικασία αυτή επιφέρει πτώση στην τάση της κυψέλης, η οποία οφείλεται στους εξής τρείς παράγοντες: Απώλειες ενεργοποίησης (Activation Losses) Ωμικές απώλειες (Ohmic Losses) Μείωση στη συγκέντρωση των αντιδρώντων (Concentration Losses) Απώλειες ενεργοποίησης Οι απώλειες ενεργοποίησης προκύπτουν από την ανάγκη να κινηθούν ηλεκτρόνια και από τη διάσπαση και ένωση χημικών δεσμών στην άνοδο και στην κάθοδο της κυψέλης καυσίμου. Ένα μέρος της διαθέσιμης ενέργειας χάνεται ώστε να πραγματοποιηθούν οι απαραίτητες χημικές αντιδράσεις. Οι απώλειες ενεργοποίησης συμβαίνουν, σύμφωνα με τα παραπάνω, όχι μόνο στην άνοδο αλλά και στην κάθοδο. Οι αντίδραση της οξείδωσης του υδρογόνου στην άνοδο είναι πολύ γρήγορη, ενώ η αναγωγή του οξυγόνου στην κάθοδο ολοκληρώνεται με πολύ αργούς ρυθμούς. Οι απώλειες ενεργοποίησης εκφράζονται μαθηματικά και με μία πιο εμπειρική εξίσωση που βασίζεται σε ηλεκτροχημικές παρατηρήσεις, γνωστή ως εξίσωση Tafel: 26

27 Όπου b=rt/αf, j είναι η πυκνότητα ρεύματος της κυψέλης και ισούται με τη διαφορά των ρευμάτων που δημιουργούνται στην οξείδωση (άνοδο) και στην αναγωγή (κάθοδο), j o είναι η πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής (current exchange density), α ο συντελεστής μεταφοράς (coefficient transfer), F η σταθερά του Faraday και R η σταθερά των αερίων Ωμικές απώλειες Οι ωμικές απώλειες προκαλούνται από τη μεταφορά των αγώγιμων φορτίων μέσα στην κυψέλη. Τα φορτισμένα σωματίδια που είτε είναι ηλεκτρόνια είτε κατιόντα υδρογόνου (Η + ), συνεισφέρουν στην πτώση τάσης της κυψέλης. Οι απώλειες λόγω των ηλεκτρονίων οφείλονται κυρίως στις μη ιδανικές συνδέσεις των διαφόρων στρωμάτων (στρώμα υποστήριξης, διπολικών πλακών). Η μεγαλύτερη ωμική απώλεια οφείλεται στα κατιόντα υδρογόνου που διαπερνούν τον ηλεκτρολύτη. Αυτό οφείλεται στη χαμηλή αγωγιμότητα που εμφανίζεται στον ηλεκτρολύτη σε αντίθεση με τα διάφορα άλλα μεταλλικά στρώματα. Οι ωμικές απώλειες συνεπώς γράφονται: Αν υποτεθεί ότι ο όρος της αντίστασης που αναφέρεται στην αγωγιμότητα των κατιόντων υπερτερεί, τότε η απώλεια της τάσεως οφειλόμενη στην ωμική αντίσταση γράφεται: Από την παραπάνω εξίσωση μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι η ωμική απώλεια είναι ανάλογη του πάχους του ηλεκτρολύτη και αντιστρόφως ανάλογη της 27

28 ιοντικής αγωγιμότητας. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι η ιοντική αγωγιμότητα της μεμβράνης εξαρτάται από την ποσότητα του νερού που περιέχει. Η μείωση του πάχους της μεμβράνης, όπως φαίνεται και από την παραπάνω εξίσωση, θα μπορούσε να μειώσει τις ωμικές απώλειες, θα προκαλούσε όμως άλλου είδους προβλήματα. Λόγω των περιορισμών αυτών το πάχος των μεμβρανών, σύμφωνα με τα σημερινά δεδομένα, δεν μπορεί να μειωθεί περαιτέρω των μm Μείωση στη συγκέντρωση των αντιδρώντων Η πτώση τάσεως λόγω μείωσης της συγκέντρωσης των αντιδρώντων εμφανίζεται σε όλο το φάσμα της πυκνότητας ρεύματος, όμως σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος γίνεται πολύ πιο αισθητή. Οι χημικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται στην περιοχή ακριβώς μεταξύ μεμβράνης και ηλεκτροδίου. To υδρογόνο, όπως και το οξυγόνο, πρέπει μέσω της διαδικασίας της διάχυσης να βρεθεί στο συγκεκριμένο αυτό σημείο. Στην κυψέλη καυσίμου όμως το υδρογόνο και το οξυγόνο διέρχονται μέσα από το στρώμα διάχυσης των αερίων (gas diffusion layer). Όταν δεν υπάρχει φορτίο, συνεπώς ούτε και ρεύμα, η συγκέντρωση των αντιδρώντων είναι ίδια με αυτή που εμφανίζεται και στην περιοχή του συλλέκτη (flow field pattern). Όταν όμως ρέει ρεύμα, η διάχυση των στοιχείων στην περιοχή που πραγματοποιούνται οι χημικές αντιδράσεις επιβραδύνεται και εμποδίζεται από τη ροή του ρεύματος. To πρόβλημα αυτό είναι ακόμη πιο έντονο στην κάθοδο, όπου το οξυγόνο συναντά αντίσταση που οφείλεται στην παραγόμενη ποσότητα του νερού που κλείνει τις λεπτές διαδρομές του στρώματος διάχυσης. Η μαθηματική έκφραση της απώλειας είναι η ακόλουθη: όπου I j το ρεύμα κατά το οποίο το καύσιμο καταναλώνεται με ρυθμό ίσο με τη μέγιστη ροή ανεφοδιασμού του και n ο αριθμός των ηλεκτρονίων που 28

29 μεταφέρονται ανά αντίδραση. 1.7 Χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος της κυψέλης [6],[15] Η χαρακτηριστική της κυψέλης καυσίμου χωρίζεται σε τρεις περιοχές. Στις χαμηλές πυκνότητες ρεύματος επικρατούν οι απώλειες ενεργοποίησης που οδηγούν σε απότομη πτώση της τάσεως. Στη δεύτερη περιοχή, που περιλαμβάνει τις πυκνότητες ρεύματος μεταξύ ma/cm 2, επικρατούν οι ωμικές απώλειες. Σε αυτήν την περιοχή παρατηρείται γραμμική πτώση της τάσης και χαρακτηρίζει την περιοχή λειτουργίας της κυψέλης. Στην τρίτη περιοχή, από 600 ma/cm 2 και πάνω, υπερισχύουν οι απώλειες συγκέντρωσης. Αυτές οι μη γραμμικές απώλειες προκαλούν ραγδαία πτώση της τάσεως καθώς προσεγγίζεται το όριο της πυκνότητας ρεύματος. To όριο αυτό της πυκνότητας ρεύματος (J L ) παρουσιάζει και το ρεύμα βραχυκύκλωσης της κυψέλης. Πρέπει να σημειωθεί και να τονιστεί το γεγονός ότι και οι τρεις μηχανισμοί απωλειών λειτουργούν ταυτόχρονα σε όλο το φάσμα της πυκνότητας ρεύματος της κυψέλης. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω μπορεί να σχεδιαστεί η χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος της κυψέλης (polarization curve). Συνεπώς, η τάση της κυψέλης θα ισούται με: Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται μία χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος για μία μεμονωμένη κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων. Παράλληλα αποτυπώνονται και οι μηχανισμοί που προκαλούν πτώση τάσεως καθώς και οι περιοχές στις οποίες παρουσιάζονται. 29

30 Σχήμα 1.8:Χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος μεμονωμένης κυψέλης 1.8 Πλεονεκτήματα και Εφαρμογές [6] To κυριότερο μειονέκτημα όλων των τύπων κελιών καυσίμου είναι το κόστος. Παρόλα αυτά υπάρχουν διάφορα πλεονεκτήματα, που διαφέρουν ανάλογα με τον τύπο του κελιού. Αυτά αφορούν τα επόμενα: Απόδοση : Τα κελιά καυσίμου είναι γενικά περισσότερο αποδοτικά από τις μηχανές καύσης είτε αυτές χρησιμοποιούν έμβολα, είτε τουρμπίνες. Ακόμα, είτε είναι μικρό το σύστημα των κελιών καυσίμου είτε είναι μεγάλο είναι εξίσου αποδοτικό. Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό στα συστήματα συνδυασμένης παραγωγής για μικρές εφαρμογές, όπως για οικιακή χρήση. Απλότητα : Τα απαραίτητα και ζωτικά στοιχεία για ένα κελί είναι ιδιαίτερα απλά, με ελάχιστα ή καθόλου κινούμενα μέρη. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε εξαιρετικής διάρκειας ζωής και αξιοπιστίας συστήματα. 30

31 Μικρές Εκπομπές Ρύπων : To προϊόν της κύριας αντίδρασης ενός κελιού καυσίμου, όταν το καύσιμο είναι υδρογόνο, είναι καθαρό νερό, το οποίο σημαίνει ότι το κελί καυσίμου μπορεί να θεωρηθεί ως μια μηχανή μηδενικών εκπομπών ρύπων. Αυτό είναι και το κύριο πλεονέκτημά τους όταν χρησιμοποιηθούν στην αυτοκίνηση, καθώς η χρήση τους μπορεί να εξαλείψει τους ρύπους που δημιουργούνται στις πόλεις. Πρέπει να σημειωθεί ότι η παραγωγή υδρογόνου για να χρησιμοποιηθεί για καύσιμο απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα. Θόρυβος : Τα κελιά καυσίμου είναι ιδιαίτερα σιωπηλά, ακόμα και αυτά που χρησιμοποιούν ειδικές διατάξεις για την παροχή και επεξεργασία του καύσιμου. Αυτό είναι πολύ σημαντικό σε εφαρμογές που απαιτούν φορητότητα καθώς και σε μικρά συστήματα συνδυασμένης παραγωγής. To γεγονός ότι το υδρογόνο είναι το προτιμώμενο καύσιμο είναι από τα κύρια μειονεκτήματα των κελιών καυσίμου. Παρόλα αυτά είναι πολύ που θεωρούν ότι αυτό είναι και από τα κύρια πλεονεκτήματα. Προβλέπεται ότι τα ορυκτά καύσιμα θα τελειώσουν σε μερικές δεκαετίες, και ότι το υδρογόνο θα γίνει το κύριο καύσιμο του πλανήτη και ο κύριος ενεργειακός παράγοντας. Η παραγωγή του θα γίνεται από μεγάλες συστοιχίες ηλιακών συλλεκτών που θα ηλεκτρολύουν το νερό. Τα κελιά καυσίμου καθιστούν εύκολη την δημιουργία συστημάτων συνδυασμένης παραγωγής (τόσο σε μεγάλη όσο και σε μικρή κλίμακα) και φυσικά την δημιουργία συστημάτων για φορητές εφαρμογές, ιδιαίτερα στα οχήματα και σε ηλεκτρονικό εξοπλισμό όπως είναι οι φορητοί υπολογιστές, τα κινητά τηλέφωνα και στρατιωτικό εξοπλισμό επικοινωνιών, εν ολίγοις θα είναι ένας καλός αντικαταστάτης σε εφαρμογές που μέχρι σήμερα χρησιμοποιούν μπαταρίες και οι μόνο. Αυτά είναι τα κύρια πεδία τα οποία χρησιμοποιούνται σήμερα τα κελιά καυσίμου. Η κυψέλη καυσίμου, όπως εξηγήθηκε, παράγει συνεχές ρεύμα και τάση. Συνεπώς, για τη σύνδεση της σε ένα φορτίο απαιτείται η παρεμβολή ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Συγκεκριμένα στην έξοδο της κυψέλης συνδέεται ένας μετατροπέας ανύψωσης που σκοπεύει να αυξήσει και να σταθεροποιήσει τη συνεχή τάση εξόδου της κυψέλης καυσίμου στην επιθυμητή τιμή. Ανάλογα με την εφαρμογή, συνδέεται και ένας αντιστροφέας που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε 31

32 εναλλασσόμενη. Για εφαρμογές ηλεκτροκίνησης, εκτός από τον κινητήρα που μετατρέπει την ηλεκτρική ισχύ σε μηχανική, πρέπει να προστεθούν και συσσωρευτές ώστε να προσφέρεται η απαιτούμενη ισχύς που παρουσιάζεται στις γρήγορες μεταβολές του φορτίου. Σχήμα 1.9 Μετατροπείς ισχύος στα συστήματα κυψελών καυσίμου 32

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 TO ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ «Nexa Power Module» 2.1 Εισαγωγή [16] Σε αυτό το κεφάλαιο θα γίνει μια ανάλυση του συστήματος κελιών καυσίμου που χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διάταξη της παρούσης διπλωματικής εργασίας. Πρόκειται για τον FC101 της εταιρείας BALLARD, ένα ολοκληρωμένο σύστημα στοίβας κυψελών καυσίμου τεχνολογίας ΡΕΜ. H διάρκεια ζωής τους είναι 15 έτη. To κόστος των κελιών καυσίμου ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο τεχνολογίας, το μέγεθος, το μεταρρυθμιστή, των βοηθητικών εξοπλισμών και των μετατροπέων ενέργειας. Οι τιμές των ΡΕΜ κελιών καυσίμου κυμαίνονται από / kw, κόστος που ενδέχεται να μειωθεί στο μέλλον και η απόδοση τους είναι στο 50 %. 2.2 To ολοκληρωμένο σύστημα «Nexa Power Module» [17],[18] Εισαγωγή To «Nexa Power Module» είναι ένα μικρό, χαμηλής συντηρήσεως, πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα κυψελών καυσίμου το οποίο είναι σχεδιασμένο για να τοποθετηθεί σε φορητές εφαρμογές και σε συστήματα βοηθητικής παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. To σύστημα αυτό είναι ικανό να αποδόσει μέχρι 1200 watt ηλεκτρικής ισχύος στην συνεχή τάση των 26 volt. Χρειάζεται εξωτερική τροφοδοσία καύσιμου υδρογόνου και η διάρκεια της λειτουργίας του μπορεί να περιοριστεί μόνο από την ικανότητα αποθήκευσης του καυσίμου. Η χρήση υδρογόνου ως καύσιμο το καθιστά εξαιρετικά ήσυχο και φιλικό προς το περιβάλλον, διότι δεν παράγει επιβλαβή προϊόντα. Χρησιμοποιεί μια στοίβα κυψελών καυσίμου κατασκευασμένη από την Ballard και έχει μερικά υποσυστήματα τα οποία είναι απαραίτητα για να λειτουργήσει. Τα υποσυστήματα του συμπεριλαμβάνουν το σύστημα τροφοδοσίας 33

34 του υδρογόνου και του αέρα, καθώς και το σύστημα ψύξης. Διαθέτει ενσωματωμένους αισθητήρες που παρακολουθούν την απόδοση του συστήματος και ένα μικροεπεξεργαστή που αυτοματοποιεί το όλο σύστημα. Σχήμα 2.1: Λειτουργικό Σχεδιάγραμμα του Συστήματος «Nexa Power Module» H στοίβα κυψελών καυσίμου του συστήματος παράγει μη σταθεροποιημένη ισχύ με την χρήση αέρα και υδρογόνου ως αντιδρώντα. Τα μόνα προϊόντα της αντίδρασης είναι νερό και θερμότητα. Η στοίβα κυψελών καυσίμου τεχνολογίας ΡΕΜ, λειτουργεί σε χαμηλή πίεση, μειώνοντας έτσι όλες τις παρασιτικές απώλειες, τον παραγόμενο θόρυβο και αυξάνοντας την αξιοπιστία του συστήματος. Επίσης, η αρχιτεκτονική της στοίβας δεν απαιτεί εξωτερική ενυδάτωση του καυσίμου. To σύστημα είναι αερόψυκτο, πράγμα που απλοποιεί ακόμα περισσότερο την κατασκευή και την λειτουργία του. Η ηλεκτρική ισχύς που παράγει είναι 1,2kW. Η τάση εξόδου εξαρτάται από την ισχύ και μεταβάλλεται από 43V στην κατάσταση ανοικτού κυκλώματος, μέχρι 26V σε πλήρες φορτίο. Κατά τη διάρκεια λειτουργίας, η τάση της στοίβας επιτηρείται για διάφορους λόγους, όπως είναι η ασφάλεια, η διάγνωση και ο έλεγχος. Επιπρόσθετα, το σύστημα ελέγχου της τάσης των κυψελών 34

35 παρακολουθεί την απόδοση των κυψελών ανά ζευγάρια και διακρίνει ποια κυψέλη έχει μειωμένη απόδοση. Η μονάδα ελέγχου του συστήματος θα σταματήσει την λειτουργία του, είτε σε περίπτωση σφάλματος, είτε σε περίπτωση μη ασφαλής λειτουργίας της στοίβας To σύστημα τροφοδοσίας υδρογόνου To «Nexa Power Module» λειτουργεί με καθαρό, ξηρό υδρογόνο από οποιαδήποτε διαθέσιμη πηγή. To σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.1, παρακολουθεί και ρυθμίζει την παροχή υδρογόνου στην στοίβα. To υποσύστημα τροφοδοσίας καυσίμου αποτελείται από τα παρακάτω μέρη: Ένας ελεγκτής της πίεσης παρακολουθεί τις συνθήκες ροής του καυσίμου για να διασφαλίσει ότι υπάρχει αρκετό καύσιμο για την λειτουργία του συστήματος. Μια βαλβίδα απελευθέρωσης καυσίμου προστατεύει τα εξαρτήματα από την υπερβολική αύξηση της πίεσης του καυσίμου. Μια βαλβίδα με σωληνοειδές, η οποία παρέχει απομόνωση από την παροχή του καυσίμου κατά τον τερματισμό της λειτουργίας του συστήματος. Ένας ρυθμιστής πίεσης ο οποίος διατηρεί κατάλληλη πίεση στο παρεχόμενο καύσιμο. Ένας ανιχνευτής διαρροής υδρογόνου, ο οποίος παρακολουθεί τα επίπεδα της συγκέντρωσης του υδρογόνου κοντά στο σύστημα παροχής καυσίμου. Σε περίπτωση ανόδου της συγκέντρωσης εμφανίζεται προειδοποιητικό σήμα και γίνεται τερματισμός της λειτουργίας του συστήματος. Η στοίβα βρίσκεται υπό την πίεση του παρεχόμενου υδρογόνου κατά την διάρκεια της λειτουργίας. To σύστημα ρύθμισης της πίεσης φροντίζει να υπάρχει αρκετό υδρογόνο, το οποίο καταναλώνεται κατά την λειτουργία. To άζωτο και το παραγόμενο νερό στο κύκλωμα των καναλιών του αέρα μετακινείται αργά κατά μήκος των κυψελών της στοίβας και σταδιακά συσσωρεύεται στο κύκλωμα καναλιών του υδρογόνου. Η συσσώρευση του αζώτου και του νερού στην άνοδο έχει ως αποτέλεσμα μια σταδιακή μείωση της απόδοσης συγκεκριμένων κυψελών, οι οποίες ονομάζονται κυψέλες εκκαθάρισης. Η παραγόμενη τάση αυτών των 35

36 κυψελών παρακολουθείται και ανάλογα με την τιμή της, μια βαλβίδα καθαρισμού απελευθερώνει υδρογόνο περιοδικά στην έξοδο της στοίβας για να απομακρύνει αδρανή συστατικά στην άνοδο και να αποκαταστήσει την απόδοση. Μόνο ένα μικρό ποσοστό του καυσίμου χρησιμοποιείται για καθαρισμό, και είναι μικρότερο από 1% του συνολικού καυσίμου που καταναλώνεται κάθε στιγμή. To υδρογόνο του έχει χρησιμοποιήθηκε για τον καθαρισμό τροφοδοτείται στο σύστημα ψύξης, πριν απομακρυνθεί από το σύστημα, όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.1. To υδρογόνο διαχέεται στο σύστημα ψύξης μέσω του αέρα, και μειώνεται η συγκέντρωση του, πολύ κάτω από το όριο επικινδυνότητας. Ο ανιχνευτής διαρροής του υδρογόνου, ο οποίος είναι τοποθετημένος στο σημείο εξόδου του συστήματος ψύξης, διασφαλίζει ότι η συγκέντρωση του υδρογόνου είναι πολύ μικρότερη από το όριο επικινδυνότητας. Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά to «Nexa Power Module» ικανό για εσωτερική χρήση To σύστημα τροφοδοσίας αέρα Ένας μικρός συμπιεστής τροφοδοτεί με περίσσια οξειδωτικού αέρα την στοίβα των κυψελών καυσίμου, για να συντηρεί την αντίδραση. Ένα φίλτρο εισαγωγής αέρα προστατεύει τον συμπιεστή και τα εξαρτήματα μετά από αυτόν από μικροσωματίδια που βρίσκονται στον ατμοσφαιρικό αέρα. Η ταχύτητα του συμπιεστή προσαρμόζεται ανάλογα με το ρεύμα που απαιτείται από την στοίβα. Μεγάλα ρεύματα απαιτούν και μεγαλύτερες παροχές αέρα. Ένας αισθητήρας ροής αέρα μετράει και προσαρμόζει ανάλογα την ταχύτητα του συμπιεστή στην εκάστοτε απαίτηση ρεύματος. Ο οξειδωτικός αέρας υγραίνεται πριν φτάσει τα κελιά καυσίμου, για να διατηρηθεί ο κορεσμός της υγρασίας στις μεμβράνες και ταυτόχρονα να διατηρηθεί σε υψηλό βαθμό η διάρκεια ζωής των κυψελών. Ένας εναλλάκτης υγρασίας μεταφέρει ταυτόχρονα το παραγόμενο νερό και την θερμότητα από την κάθοδο, στην είσοδο του ξηρού αέρα. To παραπανίσιο παραγόμενο νερό απομακρύνεται από το σύστημα, σε υγρή και αέρια μορφή, στην έξοδο του οξειδωτικού αέρα, 36

37 δηλαδή στην «εξάτμιση» τις στοίβας. To παραγόμενο νερό θα πρέπει να διαχειρίζεται με μία ολοκληρωμένη, τερματισμένη σχεδίαση των αγωγών. To παραπανίσιο νερό πιθανόν να εξατμιστεί προς το περιβάλλον, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.1. Εναλλακτικά, το παραγόμενο νερό μπορεί να συλλεγεί με έναν αγωγό To σύστημα ψύξης To «Nexa Power Module» είναι αερόψυκτο. Ένας ανεμιστήρας τοποθετημένος στην βάση της μονάδας διοχετεύει αέρα κάθετα μέσα στα κανάλια ψύξης στην στοίβα. Η θερμοκρασία λειτουργίας του συστήματος διατηρείται στους 65 βαθμούς Κελσίου, μεταβάλλοντας κατάλληλα την ταχύτητα του ανεμιστήρα. Η θερμοκρασία μετράται στην κάθοδο, που βρίσκεται και η έξοδος του αέρα, όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.1. Ζεστός αέρας από το σύστημα ψύξης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση χώρων, σε ορισμένες περιπτώσεις. To σύστημα ψύξης χρησιμοποιείται για να διαλύσει το χρησιμοποιούμενο για τον καθαρισμό υδρογόνο, που αποβάλλεται κατά την διάρκεια κανονικής λειτουργίας. To υδρογόνο απελευθερώνεται στην ροή του ψυκτικού αέρα μέσω της αυτόματής βαλβίδας καθαρισμού, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.1 τo υδρογόνο γρήγορα διαχέεται στον αέρα, η συγκέντρωσή μειώνεται σε επίπεδα πολύ χαμηλότερα από το όριο ανάφλεξης (LFL) του υδρογόνου. Για λόγους ασφαλείας, είναι τοποθετημένος ένας αισθητήρας υδρογόνου στην εξαγωγή του ψυκτικού αέρα και παρέχει στοιχεία στο σύστημα ελέγχου. To σύστημα ελέγχου παράγει προειδοποιητικά σήματα και συναγερμούς εάν η συγκέντρωση του υδρογόνου πλησιάσει το 25% του ορίου ανάφλεξης (LFL) To ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου Η λειτουργία του «Nexa Power Module» είναι πλήρως αυτοματοποιημένη από ένα ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου. Η μονάδα ελέγχου λαμβάνει διάφορα σήματα εισόδου από τους διάφορους αισθητήρες που υπάρχουν στο σύστημα. Κάποια από τα σήματα ελέγχου είναι: οι διάφορες θερμοκρασιακές μετρήσεις της 37

38 στοίβας, η πίεση του υδρογόνου, οι συγκεντρώσεις διαρροής του υδρογόνου, το ρεύμα που διαρρέει την στοίβα, η ροή της μάζας του αέρα, η τάση της στοίβας και η τάση της κυψέλης καθαρισμού. Η κατάσταση του συστήματος του ελεγκτή της τάσης της κυψέλης (CVC), είναι επίσης μια είσοδος στο σύστημα ελέγχου, παράγοντας ένα ψηφιακό σήμα δύο καταστάσεων που δηλώνουν την καλή ή λανθασμένη λειτουργία της στοίβας αντίστοιχα. Η συγκέντρωση του οξυγόνου στο περιβάλλον που βρίσκεται η συσκευή, μετράται από έναν ενσωματωμένο αισθητήρα, για την διασφάλιση ιδανικών συνθηκών περιβάλλοντος για τον χρήστη της συσκευής. Αναλογικά και ψηφιακά σήματα εξόδου παράγονται από τον ελεγκτή για να ρυθμίσουν όλες τις λειτουργίες. Εντολές ελέγχου παράγονται για τον έλεγχο των βαλβίδων του υδρογόνου και του καθαρισμού, οι οποίες είναι ηλεκτρομαγνητικές, για να απομονώσουν την πηγή του υδρογόνου όταν το σύστημα δεν είναι σε λειτουργία. Η ταχύτητα του συμπιεστή του αέρα μεταβάλλεται ανάλογα με την ζήτηση του ρεύματος. Η ταχύτητα του ανεμιστήρα του συστήματος ψύξης ρυθμίζεται ανάλογα για να διατηρηθεί μια σταθερή θερμοκρασία στην στοίβα. Η σύνδεση του εξωτερικού ηλεκτρικού φορτίου γίνεται μέσω ενός ηλεκτρονόμου τον οποίο ελέγχει η μονάδα ελέγχου. Η επικοινωνία από και προς την μονάδα ελέγχου γίνεται μέσω εξωτερικού εξοπλισμού, με την χρήση της σειριακής σύνδεσης RS-485. Τα μεταδιδόμενα δεδομένα από την μονάδα ελέγχου, ενημερώνουν το χρήστη για την απόδοση και την κατάσταση του συστήματος. Η μονάδα ελέγχου δέχεται λειτουργικές και διαγνωστικές εντολές. Συνθήκες λειτουργίας οι οποίες είναι είτε μη ασφαλείς είτε ασυνήθιστες, έχουν ως αποτέλεσμα προειδοποιητικά μηνύματα ή συναγερμούς και αυτόματη διακοπή της λειτουργίας, ανάλογα με την επικινδυνότητα της κατάστασης. Όταν εμφανιστεί μια προειδοποίηση, το σύστημα συνεχίζει να λειτουργεί, και η μονάδα ελέγχου προσπαθεί να επαναφέρει τις ιδανικές συνθήκες λειτουργίας λύνοντας το πρόβλημα. Κατά την διάρκεια ενός συναγερμού, η μονάδα ελέγχου αυτόματα τερματίζει την λειτουργία του συστήματος. Απενεργοποιώντας τον διακόπτη εκκίνησης, τα περισσότερα σήματα συναγερμών θα απενεργοποιηθούν, και το σύστημα μπορεί να κάνει επανεκκίνηση. Για λόγους ασφαλείας ορισμένα σήματα 38

39 συναγερμών όπως διαρροές υδρογόνου, διαγνωστικά σφάλματα και σφάλματα λογισμικού μπορούν να απενεργοποιηθούν μόνο από την κατασκευάστρια εταιρεία. Όταν τεθεί σε λειτουργία, η μονάδα ελέγχου μεταδίδει δεδομένα κάθε 200ms. Τα μεταδιδόμενα δεδομένα περιέχουν κωδικούς κατάστασης του συστήματος, κωδικούς προειδοποιήσεων και συναγερμών. Η μονάδα ελέγχου συνδέθηκε με έναν προσωπικό υπολογιστή για παρακολούθηση των διαφόρων λειτουργιών του «Nexa Power Module» Τα συστήματα ασφαλείας To «Nexa Power Module» έχει αυτοματοποιημένες λειτουργίες για να διασφαλίσει την ασφάλεια του χρήστη και να εμποδίσει καταστροφή του εξοπλισμού. Μια προειδοποίηση ή ένας συναγερμός θα εμφανιστεί όταν η λειτουργία του συστήματος είναι μη ασφαλής ή εκτός συνήθων συνθηκών, ανάλογα με την σοβαρότητα της κατάστασης. To σύστημα ασφαλείας εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες: Οι παράμετροι λειτουργίας του συστήματος παρακολουθούνται συνεχώς για να διασφαλιστεί ότι θα βρίσκονται μέσα στα προβλεπόμενα όρια. Αυτές οι παράμετροι συμπεριλαμβάνουν την θερμοκρασία λειτουργίας, το ρεύμα που διαρρέει την στοίβα, την τάση λειτουργίας και την πίεση του παρεχόμενου καυσίμου. Ειδοποιήσεις και συναγερμοί ενεργοποιούνται αν οποιαδήποτε από αυτές τις παραμέτρους ξεφύγει από τα επιθυμητά όρια. Ο ελεγκτής της τάσης της κυψέλης, παρακολουθεί συνεχώς τη λειτουργία και την απόδοση κάθε ζεύγους κυψελών ξεχωριστά. Η παρουσία μιας ελαττωματικής κυψέλης θα προκαλέσει αυτόματα τον τερματισμό της λειτουργίας του συστήματος. Ο ανιχνευτής διαρροής υδρογόνου είναι τοποθετημένος κοντά στο υποσύστημα διανομής του καυσίμου. Ενταμιευμένος κατάλληλα μέσα στο σύστημα ψύξης μπορεί να ανιχνεύει υπερβολική ποσότητα υδρογόνου καθαρισμού ή την παρουσία εξωτερικής διαρροής καυσίμου. Εάν ξεπεραστούν τα προκαθορισμένα όρια θα γίνει αυτόματος τερματισμός της λειτουργίας του συστήματος. To «Nexa Power Module» εξοπλίζεται με έναν αισθητήρα οξυγόνου για να μετράται η συγκέντρωσή του στον περιβάλλοντα αέρα. Διασφαλίζοντας έτσι τους χρήστες του συστήματος, όταν αυτό λειτουργεί σε μη επαρκώς αεριζόμενους 39

40 χώρους. To σύστημα θα τερματίσει την λειτουργία του αυτόματα όταν τα επίπεδα συγκέντρωσης του οξυγόνου πέσουν κάτω από τα επιτρεπτά όρια ασφαλείας. Πέρα από τις διάφορες προειδοποιήσεις και συναγερμούς, το σύστημα ενσωματώνει και άλλα χαρακτηριστικά ασφαλείας : Όταν το σύστημα βγαίνει εκτός λειτουργίας ενεργοποιείται μια βαλβίδα αποκοπής του καυσίμου. Αυτή η λειτουργία απομονώνει την παροχή του καυσίμου και αποτρέπει να εισέρθει υδρογόνο στην στοίβα των κελιών, στην περίπτωση που έχει ενεργοποιηθεί κάποιος συναγερμός. Σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας, το υδρογόνο από το σύστημα καθαρισμού αναμιγνύεται με τον αέρα από το σύστημα ψύξης, όπου γρήγορα διαχέεται και διαλύεται σε συγκεντρώσεις πολύ μικρότερες από τηνσυγκέντρωση ανάφλεξης του υδρογόνου (LFL). Μια βαλβίδα απελευθέρωσης υδρογόνου, ανοίγει κάθε φορά που η πίεση ξεπεράσει τα επιθυμητά όρια λειτουργίας και απελευθερώνει το παραπανίσιο υδρογόνο στο σύστημα ψύξης για να προστατευτεί ο εξοπλισμός από υπερπιέσεις. Εάν η συγκέντρωση του απελευθερωμένου υδρογόνου ξεπεράσει τα όρια ασφαλείας τότε η λειτουργία του συστήματος διακόπτεται Κανονική λειτουργία Για να λειτουργήσει το σύστημα, χρειάζεται τα εξής πράγματα : μια πηγή 24V, για να επιτευχθούν οι διαδικασίες έναρξης και τερματισμού λειτουργίας, επαρκή παροχή καυσίμου υδρογόνου και ένα σήμα 5V για να ενεργοποιηθεί το σύστημα ελέγχου. Όταν το σύστημα ενεργοποιηθεί, θα αποδόσει ηλεκτρική ισχύ ανάλογα με την ζήτηση. Πριν εφαρμοστεί εξωτερική ισχύς, to «Nexa Power Module» παραμένει απενεργοποιημένο. Σε αυτή την κατάσταση οι αισθητήρες, οι ενεργοποιητές και ο μικροεπεξεργαστής είναι απενεργοποιημένοι. Όταν δοθεί τροφοδοσία 24V στην μονάδα ελέγχου, τότε το σύστημα πηγαίνει στην κατάσταση αναμονής. Στην κατάσταση αναμονής οι αισθητήρες και οι ενεργοποιητές θα ενεργοποιηθούν και ο μικροεπεξεργαστής θα αρχίσει να 40

41 μεταδίδει δεδομένα και να ενημερώνει για την κατάσταση του συστήματος. Όταν στην κατάσταση αναμονής εφαρμοστεί το σήμα έναρξης 5V, η μονάδα του ελέγχου θα αρχίσει την διαδικασία έναρξης της λειτουργίας του συστήματος. Η βαλβίδα του καυσίμου θα ανοίξει και η βαλβίδα καθαρισμού ανοιγοκλείνει περιοδικά για να γεμίσει η στοίβα των κυψελών με καύσιμο. Ο συμπιεστής του αέρα ενεργοποιείται για να παρέχει αρκετό αέρα στην στοίβα των κυψελών. Τελικά, ενεργοποιείται και ο ανεμιστήρας του συστήματος ψύξης για να ρυθμίσει την θερμοκρασία του συστήματος καθώς και να γίνει διάλυση του υδρογόνου που αποβάλλεται από το σύστημα καθαρισμού. Κατά την διάρκεια της διαδικασίας ενεργοποίησης, η τάση της στοίβας αυξάνεται από το μηδέν μέχρι την τιμή ανοιχτού κυκλώματος. Όταν ολοκληρωθούν μια σειρά από ελέγχους του σύστημα μεταβαίνει στην κατάσταση λειτουργίας. Αυτή η διαδικασία εκκίνησης διαρκεί τυπικά από 10 έως 30 δευτερόλεπτα. Όταν το σύστημα είναι σε κατάσταση λειτουργίας, τo «Nexa Power Module» τροφοδοτεί πλέον την μονάδα ελέγχου από την παραγόμενη από την στοίβα ενέργεια, και όχι από την εξωτερική πηγή ενέργειας. Ο ηλεκτρονόμος ενεργοποιείται και συνδέει το εξωτερικό φορτίο με την στοίβα. Σε αυτό το σημείο μπορεί το σύστημα πλέον να αποδώσει το μέγιστο της ισχύος του. Πολλαπλές ειδοποιήσεις μπορούν να εμφανιστούν κατά την διάρκεια κανονικής λειτουργίας. Εάν ξεπεραστούν τα κανονικά όρια λειτουργίας και ενεργοποιηθούν οι συναγερμοί, τότε το σύστημα κάνει αυτόματα τερματισμό της λειτουργίας. Όταν το σήμα των 5V απομακρυνθεί από την μονάδα ελέγχου, το σύστημα μεταβαίνει στην κατάσταση τερματισμού λειτουργίας. Κατά την διαδικασία του τερματισμού, ο ηλεκτρονόμος απομονώνει το εξωτερικό φορτίο για να απομονώσει την στοίβα των κυψελών και μεταφέρεται η τροφοδοσία της μονάδας ελέγχου από την στοίβα κυψελών στην εξωτερική πηγή τροφοδοσίας. Εάν το «Nexa Power Module» έχει ξεπεράσει σε διάρκεια λειτουργίας τα 60 δευτερόλεπτα, κατά την διάρκεια του τερματισμού θα ενεργοποιηθεί η βαλβίδα καθαρισμού για να απομακρυνθεί το παραχθέν νερό από τα κανάλια ροής στην άνοδο και στην κάθοδο. Η διαδικασία του τερματισμού σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας διαρκεί περίπου 45 δευτερόλεπτα. 41

42 Σχήμα 2.2: Εγκατάσταση του συστήματος Nexa Σχήμα 2.3: Πειραματική διάταξη Nexa. 42

43 2.2.8 Υπόλοιπα στοιχεία πειραματικής διάταξης[16][19] Ηλεκτρολύτης (Electrolyser) Ακόμα κι αν η αλκαλική ηλεκτρόλυση θεωρείται καθιερωμένη η τεχνολογία της από τη δεκαετία του '40, το κόστος των ηλεκτρολυτών είναι ακόμα υψηλό, λόγω της έλλειψης μαζικής παραγωγής. Οι ΡΕΜ ηλεκτρολύτες είναι οι πιο κοινώς χρησιμοποιούμενοι σε αυτόνομα συστήματα παράγωγης ενέργειας. Στην περίπτωση μας χρησιμοποιήσαμε τον ηλεκτρολύτη της MD Scientific και συγκεκριμένα το μοντέλο ΝΜΗ Το κόστος του ΝΜΗ2-500 είναι Η διάρκεια ζωής 20 χρόνια και η αποδοτικότητα είναι 80%. Ένας παράγοντας που επηρεάζει σε πολύ μεγάλο βαθμό το ρυθμό παραγωγής Η 2 του ηλεκτρολύτη είναι η θερμοκρασία του η οποία λόγω του κλειστού συστήματος ήταν αδύνατον να μετρηθεί. Σχήμα2.4:Γεννήτρια Υδρογόνου 43

44 Πίνακας 2.1:Στοιχεία Electrolyser Power Consumption Hydrogen flow rate (max) Max outlet pressure 300 W 500cc/min 10.5 bar (155psi) Purity % Φιάλες αποθήκευσης υδρογόνου (Solid Hydrogen Storage Canisters) To υδρογόνο που παράγεται στα 10.5 bar από τον ηλεκτρολύτη θα αποθηκευτεί σε υδρίδια μετάλλων. Τα υδρίδια μετάλλων είναι πιο κατάλληλα όταν πρόκειται για αποθήκευση μικρών ποσοτήτων και όταν απαιτείται υψηλός παράγοντας ασφάλειας. Για μεγάλες ποσότητες όμως, τα σημερινά υδρίδια μετάλλων είναι αρκετά βαριά και αρκετά ακριβά με κόστος περίπου Στην μελέτη μας χρησιμοποιήσαμε φιάλες της OVONIC.H διάρκεια ζωής τους είναι 2000 κύκλοι. Πίνακας2.2:Στοιχεία φιαλών αποθήκευσης υδρογόνου Storage capacity 760 sl /10.76 bar Intended gas specification Dry Hydrogen, purity 5 or higher Gas connection Quick-coupler Max storage temperature +50 ο C Opening conditions of relief valve P = 82bar/T = + 88 ο C Weight 7 Kg 44

45 Καθώς το υδρογόνο αποθηκεύεται στο εσωτερικό τους και ενόσω αυτό βρίσκεται ακόμα υπό χαμηλές πιέσεις, διαχέεται διαμέσου των πολύ μικρών πόρων που εμφανίζει πάντα το υλικό κατασκευής τους στην εσωτερική τους επιφάνεια και συγκεντρώνεται στα σημεία εκείνα των τοιχωμάτων τους όπου το υλικό κατασκευής παρουσιάζει κάποιες ατέλειες στη κρυσταλλική του δομή. Τότε, αναφερόμενοι σε υλικά κατασκευής που οξειδώνονται εύκολα με τον ατμοσφαιρικό αέρα (π.χ. χαλκός και αλουμίνιο), το υδρογόνο αντιδρά με τα οξείδια που έχουν σχηματίσει τα εν λόγω υλικά με αυτόν. Από την αντίδρασή του μ' αυτά, το υδρογόνο παράγει μεταλλικά υδρίδια τα οποία, αφού παραχθούν, παραμένουν στο χώρο που έχουν σχηματιστεί και αυξανόμενα συνεχώς σε συγκέντρωση, ασκούν ολοένα και μεγαλύτερες πιέσεις στην συνολική μάζα του μεταλλικού υλικού κατασκευής, αναγκάζοντας έτσι αυτό να διογκώνεται (διόγκωση φιάλης). Οι ολοένα και αυξανόμενες πιέσεις μέσα στην μεταλλική επιφάνεια των φιαλών αποθήκευσης του υδρογόνου, από ένα όριο και πάνω και ανάλογα και με το υλικό της κατασκευής τους, προκαλούν τελικά την ολική θραύση τους μέσω έκρηξης. Μέχρι το σημείο της θραύσης, το φαινόμενο της διόγκωσής τους μπορεί να γίνει αντιστρεπτό, απομακρύνοντας το υδρογόνο που έχει αποθηκευτεί στο εσωτερικό της. Επειδή όμως η ανίχνευση μεγάλων ποσοτήτων από μεταλλικά υδρίδια στο εσωτερικό των μεταλλικών επιφανειών γίνεται μόνο μέσω εξωτερικής οπτικής παρατήρησης (έλεγχος διόγκωσης) συχνά είναι δυνατό η ανίχνευση αυτή να μην γίνει σωστά και να εξαχθούν εσφαλμένα συμπεράσματα. Καταλαβαίνουμε δηλαδή, ότι η αποθήκευση του υδρογόνου μέσα σε φιάλες υψηλών πιέσεων θα πρέπει πάντα να ακολουθείται από αυστηρούς κανόνες ελέγχου και συντήρησης (π.χ. επικάλυψη εξωτερικών τοιχωμάτων φιάλης με αντιοξειδωτική μπογιά), προκειμένου να μπορεί να εφαρμοστεί χωρίς κίνδυνο και με αποτελεσματικότητα. Να αναφέρουμε επίσης, ότι το φαινόμενο της ευθραυστότητας των φιαλών αποθήκευσης του υδρογόνου υπό υψηλές πιέσεις, εξαιτίας της παρουσίας των μεταλλικών υδριδίων στο εσωτερικό τους, είναι γνωστό και ως hydrogen induced phenomenon of embrittlement. 45

46 Εναλλάκτης θερμότητας Σχήμα 2.5: Εναλλάκτης θερμότητας Χρησιμοποιήθηκε εναλλάκτης θερμότητας ο οποίος είναι χωρισμένος σε επιμέρους τμήματα ώστε να μεγιστοποιηθεί ο χρόνος παραμονής του νερού μέσα στο χώρο και να έχουμε καλύτερη ανταλλαγή θερμότητας και ομαλότερη ροή. Με τη κατασκευή αυτή σταθεροποιείται η θερμοκρασία μεταξύ 16-18οC. Γνωρίζουμε ότι κατά την εισροή του υδρογόνου μέσα στη φιάλη προκαλείται μια χημική αντίδραση, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση θερμότητας ενώ κατά την αντίστροφη διαδικασία έχουμε απαγωγή της. Στη πρώτη περίπτωση οι θερμοκρασίες κυμαίνονται μεταξύ ο C, ενώ στη δεύτερη από 16 εως 13 ο C. Η αντίδραση του Η 2 με το υδρίδιο περιγράφεται από την παρακάτω αντίδραση: Μ + x/2 Η 2 MHx + Θερμότητα Ο εναλλάκτης θερμότητας λειτουργεί σα ψυκτικό μέσο κατά το γέμισμα και θερμαντικό μέσο κατά το άδειασμα των φιαλών. 46

47 Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει την εξάρτηση της πίεσης στη φιάλη από τη θερμοκρασία για σταθερή ποσότητα υδρογόνου: Σχήμα 2.6:Διάγραμμα πίεσης σε σχέση με τη θερμοκρασία 47

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 3.1 Εικονική απεικόνιση πειραματικής διάταξης [16] Στη συνέχεια ακολουθεί στο σχήμα τo σύστημά μας σχεδιασμένο σε 3D πρόγραμμα (Google Sketch Up). Σχήμα 3.1: To σύστημά μας σχεδιασμένο σε 3D πρόγραμμα (Google Sketch Up) 3.2 Παραγωγή υδρογόνου και αποθήκευση σε φιάλες Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως τα ονομαστικά χαρακτηριστικά της υδρογονογεννήτριας NMH2-500 είναι 300 W και η παραγωγή υδρογόνου στους 20 ο C είναι 500cc/min ή 0.5 L/min.Από την άλλη, οι φιάλες αποθήκευσης υδρογόνου στις αντίστοιχες συνθήκες θερμοκρασίας έχουν χωρητικότητα 760L. Να σημειωθεί ότι στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας οι φιάλες γέμιζαν απευθείας από μια μεγαλύτερη δεξαμενή υδρογόνου στη οποία το υδρογόνο ήταν αποθηκευμένο ως υγρό, για εξοικονόμηση χρόνου. 48

49 3.3 Απόδοση συστήματος κυψέλης υδρογόνου και επίδραση της θερμοκρασίας δωματίου και του εναλλάκτη θερμότητας Φορτίο 670W χωρίς εναλλάκτη θερμότητας σε ψυχρό περιβάλλον (17 o C) Τα χαρακτηριστικά του συστήματος είναι τα εξής : Αρχική Πίεση Φιαλών Φορτίο Fuel Cell Αντίσταση Stack current Stack Voltage Room Temp 8.6 Bar 670 W Ω A 32.8 V 17 o C Τέθηκε σε λειτουργία το fuel cell και μετρήθηκε ο χρόνος λειτουργίας του, η κατανάλωση υδρογόνου όπως και η πίεση και η θερμοκρασία στις φιάλες με την πάροδο του χρόνου. Για τις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε ένα μπαρόμετρο καθώς και ένα θερμόμετρο υπερύθρων με laser.ο έλεγχος του συστήματος έγινε από ηλεκτρονικό υπολογιστή στον οποίο είναι εγκατεστημένο το πρόγραμμα παρακολούθησης του Nexa. 49

50 Σχήμα 3.2:Κεντρική Οθόνη του Προγράμματος παρακολούθησης του Nexa Οι μετρήσεις που λήφθηκαν ακολουθούν παρακάτω[16]: Time Room Canister 1 Canister 2 Canister 3 Canisters Κατανάλωση(L)*10 (min) Temperature ( o C) Temperature ( o C) Temperature ( o C) Temperature ( o C) Pressure (bar) 0 16,9 15,8 15,4 15,4 8, ,8 15,4 15,4 8, ,1 14,7 14,6 14,7 7,98 0,9 3 17,1 14,4 14,5 14,5 7,46 1,7 4 17,1 13,6 13,9 13,8 6,98 2,5 5 17,1 13,2 13,6 13,6 6, ,1 12,5 13,2 13,2 6,36 3,7 7 17,2 11,9 12,7 12,7 6,04 4,3 8 17, ,2 12,2 5, ,2 10, ,44 5, ,3 9,9 11,5 11,5 5,19 6, ,3 9,1 11,2 11,1 4,

51 12 17,3 8,3 10,7 10,7 4,68 7, ,4 7,7 10,3 10,3 4,48 8, ,4 6,9 9,9 9,9 4,24 9, ,5 6,2 9,5 9,5 4,02 9, ,5 5,6 9,2 9,2 3,8 10, ,6 4,9 8,7 8,5 3,62 11, ,6 4,2 8,2 8,1 3,47 11, ,7 3,5 7,8 7,7 3,28 12, ,7 2,9 7,5 7,3 3,11 13, ,7 0, ,67 15, ,8-0,4 5,3 5 2,38 16, ,8-1,8 4,3 4,3 2,15 17, ,8-3 3,4 3,5 1,93 19, ,8-4,1 2,7 2,6 1,71 20, ,8-5,2 1,9 1,9 1, ,9-6,2 1,1 1,1 1,38 23, ,9-7,2 0,3 0,3 1,24 24, ,8-7,8-0,5-0,6 1, ,8-8,7-1,3-1,4 1 27, ,8-9,8-2,9-3 0,76 30, , ,8-4,9 0,56 34, ,8-13,2-5,6-5,7 0 35,3 51

52 40 30 Canister 1 Temperature ( o C) Canister 2 Temperature ( o C) Canister 3Temperature ( o C) Canisters Pessure (bar) Κατανάλωση (L*10) Time (min) Σχήμα3.3:Διάγραμμα με μετρήσεις σε συνάρτηση με το χρόνο για φορτίο 670W χωρίς εναλλάκτη σε ψυχρό περιβάλλον (17 o C) Το σύστημα κατανάλωσε 353 L υδρογόνο(6.78 L/min), που για την παραγωγή τους η υδρογονογεννήτρια δούλεψε 706 min και κατανάλωσε 3.6kWh.Όπως φαίνεται το σύστημα δουλεύει για 52 min. Αυτό σημαίνει πως το χρονικό διάστημα αυτό το fuel cell κατανάλωσε πέρα από το υδρογόνο και 42Wh ενώ παρήγαγε 469Wh. Ο συνολικός βαθμός απόδοσης λαμβάνοντας υπόψη στις απώλειες τόσο την ενέργεια που δαπανήθηκε για τη παραγωγή υδρογόνου όσο και την ενέργεια που σπαταλήθηκε για τη λειτουργία της κυψέλης είναι α=16.2%. 52

53 3.3.2 Φορτίο 670W με εναλλάκτη θερμότητας σε ψυχρό περιβάλλον (17 o C) Τα χαρακτηριστικά του συστήματος είναι τα εξής : Αρχική Πίεση Φιαλών Φορτίο Fuel Cell Αντίσταση Stack current Stack Voltage Room Temp Bar 670 W Ω A 32.8 V 17 o C Οι μετρήσεις που λήφθηκαν σ αυτή τη περίπτωση ακολουθούν παρακάτω[16]: Time (min) Room Temp ( o C) Water Temp ( o C) Canister 1 Temp ( o C) Canister 2 Temp ( o C) Canister 3 Temp ( o C) Canisters Pressure (bar) Καταν άλωση (L) *10 Stack Temp ( o C) 0 18,1 16,1 16,1 16,2 16,2 10, ,4 1 18, ,3 15,5 15,5 9,93 0,69 30,9 2 18,1 15,8 14, ,14 1,38 35,9 3 18,1 15,9 14,2 14,7 14,6 8,45 2,07 39,9 4 18,1 15,9 13,4 14,1 14,1 7,75 2,76 43,3 5 18,1 15, ,7 13,7 7,36 3,45 44,8 6 18,1 15,1 12,6 13,7 13,5 7,02 4,14 45, ,1 12,1 13,4 13,3 6,64 4,83 47, ,9 11,8 13,2 13,1 6,35 5,52 48, , ,9 5,91 6,21 48, , ,9 12,8 5,72 6,9 49, ,5 10,5 12,6 12,6 5,46 7,59 49, , ,3 12,2 5,2 8,28 50, , ,9 4,96 8,97 50, ,9 14 9,7 12,2 12,1 4,76 9,66 50, ,7 9, ,54 10,35 50, ,8 9,5 11,7 11,8 4,36 11,04 50,9 53

54 17 17,9 13,7 8,5 11,4 11,6 4,2 11,73 50, ,9 13,6 8 11,2 11,3 4,02 12,42 50, ,9 13,6 7,9 11,1 11,3 3,88 13,11 51, ,9 13,2 7,6 11,1 11,2 3,7 13,8 51, ,9 13,1 7,4 11,1 11,2 3,56 14,49 51, ,9 12,8 7 10,7 11 3,4 15,18 51, ,9 12,5 6,8 10,5 10,7 3,28 15,87 51, ,8 12,3 6,5 10,5 10,6 3,15 16,56 51, ,9 12,1 6, ,4 3,02 17,25 51, ,9 12 5,9 9,9 10,1 3 17,94 51, ,9 11,9 5,8 9,7 9,9 2,8 18,63 51, ,9 11,6 5,6 9,6 9,8 2,7 19,32 51, ,9 12,7 5,4 9,5 10 2,65 20,01 51, ,9 14,2 6 10,1 10,7 2,65 20,7 51, ,9 14,7 6,7 10,5 11,2 2,65 21,39 51, ,9 14,9 7 10,8 11,4 2,65 22,08 51, ,2 7,4 11,1 11,6 2,65 22,77 51, ,9 15,4 8,7 11,7 12,4 2,67 23,46 51, ,9 15,5 8,8 11,9 12,4 2,66 24,15 51, ,9 15, ,4 2,64 24,84 51, ,9 15,3 9,2 12,1 12,6 2,61 25,53 51, ,9 15 9,2 12,3 12,5 2,58 26,21 51, ,8 14,8 9,3 12,1 12,4 2,55 26,91 51, ,8 14,7 9,4 12,1 12,5 2,52 27,6 51, ,8 14,7 9,7 12,1 12,5 2,48 28,29 51, ,8 14,7 9,4 12,1 12,3 2,45 28,98 51, ,8 14,7 9,4 12,1 12,4 2,42 29,67 51, ,8 14,7 9,4 11,9 12,2 2,38 30,36 51, ,8 14,7 9, ,4 2,36 31,05 51, ,8 14,7 9,4 11,9 12,3 2,32 31,74 51, ,8 14,7 9, ,3 2,3 32,43 51, ,8 14,7 9,4 11,7 12,2 2,27 33,12 51, ,7 14,7 9, ,3 2,24 33,81 51,22 54

55 49 17,8 14,7 10,3 12,1 12,5 2,23 34,5 51, ,8 14,7 10,6 12,3 12,6 2,22 35,19 51, ,8 14, ,1 12,1 2,17 36,57 51, ,8 14, ,2 2,13 37,95 51, ,7 14,7 10, ,4 2,09 39,33 51, ,7 14,8 10,6 12,1 12,4 2,05 40,71 51, ,7 14,8 10, ,5 2,01 42,09 51, ,6 14,7 10,8 11,9 12,3 1,98 43,47 51, ,7 14,8 10,7 11,7 12,2 1,93 44,85 50, ,7 14,7 10,4 11,6 12 1,88 46,23 50, ,7 14, ,8 12,3 1,85 47,61 50, ,7 14,7 10,9 11,8 12,2 1,81 48,99 50, ,6 14,6 11,1 11,8 12,2 1,74 52,44 50, ,6 14,6 11,1 11,5 12 1,652 55,89 50, ,6 14,7 11,4 11,7 12,1 1,576 59,34 50, ,6 14,7 12,7 12,6 13,7 1,487 62,79 50, ,6 14,9 11,5 11,3 11,8 1,386 66,24 50, ,7 14,7 11,2 10,9 11,3 1,28 69,69 50, ,7 14,7 10,4 10,4 10,4 1,1 76,59 50, ,9 14,7 11,4 10,3 10,1 0,957 83,49 50, ,8 14, ,3 10,6 0,805 90,39 50, ,7 14,8 11, ,7 0,666 97,29 50, ,6 14,7 12,3 10,3 10,9 0, ,2 50,9 55

56 Water Temperature ( o C) Canister 1 Temperature ( o C) Canister 2 Temperature ( o C) Canister 3 Temperature ( o C) Canisters Pessure (bar) Κατανάλωση (L*10) Stack Temperature ( o C) Time (min) Σχήμα3.4:Διάγραμμα με μετρήσεις σε συνάρτηση με το χρόνο για φορτίο 670W με εναλλάκτη σε ψυχρό περιβάλλον (17 o C) Το σύστημα κατανάλωσε 1042L υδρογόνο(6.9 L/min), που για την παραγωγή τους η υδρογονογεννήτρια δούλεψε 2084 min και κατανάλωσε 10.42kWh. Όπως φαίνεται το σύστημα δουλεύει για 150 min. Αυτό σημαίνει πως το χρονικό διάστημα αυτό το fuel cell κατανάλωσε πέρα από το υδρογόνο και 150Wh ενώ παρήγαγε 1675Wh. Ο συνολικός βαθμός απόδοσης λαμβάνοντας υπόψη στις απώλειες τόσο την ενέργεια που δαπανήθηκε για τη παραγωγή υδρογόνου όσο και την ενέργεια που σπαταλήθηκε για τη λειτουργία της κυψέλης είναι α=16%. 56

57 3.3.3 Φορτίο 700W χωρίς εναλλάκτη θερμότητας σε θερμό περιβάλλον (30 o C) Τα χαρακτηριστικά του συστήματος είναι τα εξής : Αρχική Πίεση Φιαλών Φορτίο Fuel Cell Αντίσταση Stack current Stack Voltage 9.1 Bar 700 W 1.5 Ω 20.8 A 33.5 V Οι μετρήσεις που λήφθηκαν σ αυτή τη περίπτωση ακολουθούν παρακάτω: Time (min) Room Temp ( o C) Canister 1 Temp ( o C) Canister 2 Temp ( o C) Canister 3 Temp ( o C) Canisters Pressure (bar) Κατανάλωσ η (L)*10 Stack Temp ( o C) 0 29, ,5 27 9, ,5 26 8,5 1, ,5 17,4 21,3 23,6 7,2 4, ,6 14,7 19,6 22 6, , ,1 5,7 8, ,6 7, ,2 4,7 11, ,6 2,9 11,6 14 3, , ,2 18, ,6-4 6,4 7,5 2,7 21, , ,3 25, ,6-9 1,8 3 1,9 28, , ,6 32, , ,5 1,4 35, , ,2 39, , ,5-7 1,03 42, , ,85 45, , ,7 49,

58 85 29, ,59 52, , ,5 0,55 54, Canister 1 Temperature ( o C) Canister 2 Temperature ( o C) Canister 3 Temperature ( o C) Canisters Pressure (bar) Kατανάλωση (L*10) Stack Temperature ( o C) Time (min) Σχήμα3.5: Διάγραμμα με μετρήσεις σε συνάρτηση με το χρόνο για φορτίο 700W χωρίς εναλλάκτη σε θερμό περιβάλλον( 30 o C) Το σύστημα κατανάλωσε 547 L υδρογόνο (6.1 L/min), που για την παραγωγή τους η υδρογονογεννήτρια δούλεψε 1094 min και κατανάλωσε 5.46kWh. Όπως φαίνεται το σύστημα δουλεύει για 90 min. Αυτό σημαίνει πως το χρονικό διάστημα αυτό το fuel cell κατανάλωσε πέρα από το υδρογόνο και 90Wh ενώ παρήγαγε 1050Wh. Ο συνολικός βαθμός απόδοσης λαμβάνοντας υπόψη στις απώλειες τόσο την ενέργεια που δαπανήθηκε για τη παραγωγή υδρογόνου όσο και την ενέργεια που σπαταλήθηκε για τη λειτουργία της κυψέλης είναι α=18.8%. 58

59 3.3.4 Φορτίο 700W με εναλλάκτη θερμότητας σε θερμό περιβάλλον (30 o C) Τα χαρακτηριστικά του συστήματος είναι τα εξής : Αρχική Πίεση Φιαλών 9.9 Bar Φορτίο Fuel Cell 700 W Αντίσταση 1.5 Ω Stack current 21.1A Stack Voltage 32.8 V Οι μετρήσεις που λήφθηκαν σ αυτή τη περίπτωση ακολουθούν παρακάτω: Time (min) Room Temp ( o C) Water Temp ( o C) Canister 1 Temp ( o C) Canister 2 Temp ( o C) Canister 3 Temp ( o C) Canisters Pressure (bar) Κατανάλωση (L)*10 Stack Temp ( o C) 0 31,2 29,9 29,8 29,8 29,8 9, , ,5 31,2 30 8,9 3, ,9 28, ,6 7,5 6, ,8 26,8 25,5 26,5 26,6 6,5 10, ,9 25,9 23,1 24,5 24,7 5,7 13, ,9 25, ,5 24 5,15 17, , , ,5 4,78 20, ,8 25,3 21,2 22,3 23 4,5 24, ,8 25,2 21, ,5 4,3 27, , ,4 4,15 31, , ,7 22 3,87 38, , , ,4 3,6 45, , , ,1 3, ,7 24, ,6 21 3, , ,5 20,4 21,1 3,06 65, , ,1 2,93 72, , ,2 22 2,86 79, , ,2 20,3 20,9 2,64 86,

60 135 30,9 21,3 20,6 17,8 18,3 2,28 93, ,9 20,5 20,3 17,4 18, ,8 20,4 19,8 16,7 17,6 1,81 106, , ,6 16,7 17,4 1,62 113, ,7 19,8 19,4 16,1 16,8 1,43 120, ,7 19,9 19,2 15,9 16,7 1,27 127, ,7 19,6 19,2 15,6 16,3 1,1 133, ,7 19,3 18,8 15,1 16,1 0,95 140, ,7 19,5 19,1 15,5 16,6 0,78 147, ,7 19,7 18,7 15,2 16,4 0,59 154, ,7 19,6 18, ,3 0,5 157, Water Temperature ( o C) Canister 1 Temperature ( o C) Canister 2 Temperature ( o C) Canister 3 Temperature ( o C) Canisters Pessure (bar) Κατανάλωση (L*10) Stack Temperature ( o C) Time (min) Σχήμα3.6: Διάγραμμα με μετρήσεις σε συνάρτηση με το χρόνο για φορτίο 700W με εναλλάκτη σε θερμό περιβάλλον( 30 o C) 60

61 Το σύστημα κατανάλωσε 1576 L υδρογόνο(6.9 L/min), που για την παραγωγή τους η υδρογονογεννήτρια δούλεψε 3152 min και κατανάλωσε 15.75kWh. Όπως φαίνεται το σύστημα δουλεύει για 230 min. Αυτό σημαίνει πως το χρονικό διάστημα αυτό το fuel cell κατανάλωσε πέρα από το υδρογόνο και 229.8Wh ενώ παρήγαγε 2681Wh. Ο συνολικός βαθμός απόδοσης λαμβάνοντας υπόψη στις απώλειες τόσο την ενέργεια που δαπανήθηκε για τη παραγωγή υδρογόνου όσο και την ενέργεια που σπαταλήθηκε για τη λειτουργία της κυψέλης είναι α=16.7% Φορτίο 960W χωρίς εναλλάκτη θερμότητας σε θερμό περιβάλλον (32 o C) Τα χαρακτηριστικά του συστήματος είναι τα εξής : Αρχική Πίεση Φιαλών 9.9 Bar Φορτίο Fuel Cell 960 W Αντίσταση 1 Ω Stack current 30.8A Stack Voltage 31 V Οι μετρήσεις που λήφθηκαν σ αυτή τη περίπτωση ακολουθούν παρακάτω: Time (min) Room Temp ( o C) Canister 1 Temp ( o C) Canister 2 Temp ( o C) Canister 3 Temp ( o C) Canisters Pressure (bar) Κατανάλωση (L)*10 Stack Temp ( o C) ,2 33,8 33 6, ,2 22,5 30,4 29,8 5,63 3, ,6 18,6 26,5 25,6 4,5 8, ,1 13,7 21,2 20,7 3,6 13,3 60, ,1 10, ,3 2,85 18,2 60, , ,24 23,2 60,9 61

62 30 31,1 1,7 6,2 5,6 1,71 28,3 61, ,1-5 -2,5-3,3 0,96 38,2 61, ,2-8,9-7 -7,8 0,65 43,2 61, , ,6 0,5 46,4 61, Canister 1 Temperature ( o C) Canister 2 Temperature ( o C) Canister 3 Temperature ( o C) Canisters Pressure (bar) Κατανάλωση (L*10) Stack Temperature ( o C) Time (min) Σχήμα3.7: Διάγραμμα με μετρήσεις σε συνάρτηση με το χρόνο για φορτίο 960W χωρίς εναλλάκτη σε θερμό περιβάλλον(32 o C) Το σύστημα κατανάλωσε 464 L υδρογόνο (9.66 L/min), που για την παραγωγή τους η υδρογονογεννήτρια δούλεψε 928 min και κατανάλωσε 4.64kWh. Όπως φαίνεται το σύστημα δουλεύει για 48 min. Αυτό σημαίνει πως το χρονικό διάστημα αυτό το fuel cell κατανάλωσε πέρα από το υδρογόνο και 48Wh ενώ παρήγαγε 768Wh. 62

63 Ο συνολικός βαθμός απόδοσης λαμβάνοντας υπόψη στις απώλειες τόσο την ενέργεια που δαπανήθηκε για τη παραγωγή υδρογόνου όσο και την ενέργεια που σπαταλήθηκε για τη λειτουργία της κυψέλης είναι α=16.4% Φορτίο 970W με εναλλάκτη θερμότητας σε ψυχρό περιβάλλον(16 o C) [16] Τα χαρακτηριστικά του συστήματος είναι τα εξής : Αρχική Πίεση Φιαλών 7.62 Bar Φορτίο Fuel Cell 970 W Αντίσταση Ω Stack current 28.92A Stack Voltage V Οι μετρήσεις που λήφθηκαν σ αυτή τη περίπτωση ακολουθούν παρακάτω: Time (min) Room Temp ( o C) Water Temp ( o C) Canister 1 Temp ( o C) Canister 2 Temp ( o C) Canister 3 Temp ( o C) Canisters Pressure (bar) Κατανάλωση (L)*10 Stack Temp ( o C) 0 16,2 15,8 16,1 16,2 16,2 7, ,4 1 16,2 15,8 15,3 15,5 15,5 7,21 0,8 30,9 2 16,2 15,6 14, ,84 1,8 35,9 3 16,4 15,7 14,2 14,7 14,6 6,23 2,8 39,9 4 16,4 15,6 13,4 14,1 14,1 5,89 3,7 43,3 5 16,2 15, ,7 13,7 5,34 4,8 44, ,2 15,4 12,6 13,3 13,5 4,78 9,6 45, ,2 15,4 12, ,3 3,85 14,7 47, ,2 15,4 11,8 12,8 13,1 3,02 19,8 48, ,2 15,4 11,7 12,4 12,4 2,42 24,5 48, ,2 15,3 11,3 11,5 12,1 2,05 34,5 48, ,3 15,2 11,2 11,4 11,9 1,84 39,2 50,06 63

64 50 16,3 15,2 11,1 11,3 11,5 1,51 49,3 50, ,3 15, ,3 11,3 1,41 59,1 50, ,2 15,1 11,1 11,2 11,3 1,27 69,8 50, , ,2 11,2 11,2 1,1 79,5 50, , ,1 11,1 11,1 0,98 89,2 50, ,7 14,9 11,1 10,5 9,9 0,78 99,3 50, , ,1 9,7 9,4 0,59 109,1 50, , ,5 11,3 11,6 0,54 119,3 50, ,7 15,1 13,8 11,2 11,6 0, , Water Temperature ( o C) Canister 1 Temperature ( o C) Canister 2 Temperature ( o C) Canister 3 Temperature ( o C) Canisters Pessure (bar) Κατανάλωση (L*10) Stack Temperature ( o C) Time (min) Σχήμα3.8: Διάγραμμα με μετρήσεις σε συνάρτηση με το χρόνο για φορτίο 970W χωρίς εναλλάκτη σε ψυχρό περιβάλλον (16 o C) Το σύστημα κατανάλωσε 1340 L υδρογόνο(10 L/min), που για την παραγωγή τους η υδρογονογεννήτρια δούλεψε 2680 min και κατανάλωσε 13.39kWh. Όπως φαίνεται το σύστημα δουλεύει για 134min. Αυτό σημαίνει πως το χρονικό διάστημα 64

65 αυτό το fuel cell κατανάλωσε πέρα από το υδρογόνο και 133.8Wh ενώ παρήγαγε Wh. Ο συνολικός βαθμός απόδοσης λαμβάνοντας υπόψη στις απώλειες τόσο την ενέργεια που δαπανήθηκε για τη παραγωγή υδρογόνου όσο και την ενέργεια που σπαταλήθηκε για τη λειτουργία της κυψέλης είναι α=15.8% Φορτίο 960W με εναλλάκτη θερμότητας σε σε θερμό περιβάλλον (31 o C) Τα χαρακτηριστικά του συστήματος είναι τα εξής : Αρχική Πίεση Φιαλών 6.13 Bar Φορτίο Fuel Cell 960 W Αντίσταση 1 Ω Stack current 30.8A Stack Voltage 30.6 V Οι μετρήσεις που λήφθηκαν σ αυτή τη περίπτωση ακολουθούν παρακάτω: Time (min) Room Temp ( o C) Canister 1 Temp ( o C) Canister 2 Temp ( o C) Canister 3 Temp ( o C) Canisters Presure (bar) Κατανάλωση (L)*10 Stack Temp ( o C) Water Temperature ( o C) 0 32, ,6 27,2 6, , ,7 23,2 22,6 22 3,9 10,2 61,35 22, ,2 18,5 18,8 18,3 3,1 20,4 61,75 21, ,3 19,4 19,4 18 2,6 30,6 61,35 21, ,1 18,7 18,3 17 2,25 40,8 61,35 19, ,1 17, ,94 50,8 61,35 19, ,1 18,7 17,5 15,6 1, ,35 19, ,1 18,5 14,6 15,3 1, ,35 19, ,1 17,2 13,6 14,5 1, ,3 19, ,1 17,4 13,5 14,9 0,9 91,1 61, ,1 17,2 12,4 13,4 0,68 101,1 60,95 18, ,8 17,7 12,7 13,7 0, ,95 18,6 65

66 Water Temperature ( o C) Canister 1 Temperature ( o C) Canister 2 Temperature ( o C) Canister 3 Temperature ( o C) Canisters Pessure (bar) Κατανάλωση (L*10) Stack Temperature ( o C) Time (min) Σχήμα3.9: Διάγραμμα με μετρήσεις σε συνάρτηση με το χρόνο για φορτίο 960W με εναλλάκτη σε σε θερμό περιβάλλον (31 o C) Το σύστημα κατανάλωσε 1090 L υδρογόνο(10 L/min), που για την παραγωγή τους η υδρογονογεννήτρια δούλεψε 2180 min και κατανάλωσε 10.9kWh. Όπως φαίνεται το σύστημα δουλεύει για 108 min. Αυτό σημαίνει πως το χρονικό διάστημα αυτό το fuel cell κατανάλωσε πέρα από το υδρογόνο και 108Wh ενώ παρήγαγε 1728Wh. Ο συνολικός βαθμός απόδοσης λαμβάνοντας υπόψη στις απώλειες τόσο την ενέργεια που δαπανήθηκε για τη παραγωγή υδρογόνου όσο και την ενέργεια που σπαταλήθηκε για τη λειτουργία της κυψέλης είναι α=15.7%. 66

67 KΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ HOMER 4.1 Οικονομικά Στοιχειά[20] Για τον υπολογισμό του πραγματικού συνολικού κόστους ενός υβριδικού συστήματος (κόστος προμήθειας,εγκατάστασης, συντήρησης και λειτουργίας ) ακολουθούνται τα επόμενα βήματα : 1. Με βάση το τρέχον επιτόκιο d (discount rate) και τον τρέχοντα πληθωρισμό (inflation), i υπολογίζεται το αποπληθωρισμένο επιτόκιο,r, απ τη σχέση : r = 1 (1) 2. Yπολογίζεται το ολικό κόστος ζωής της επένδυσης LCC (Life Cost Cycle) το οποίο συνίσταται από : α) Το αρχικό κόστος επένδυσης (κόστος προμήθειας και εγκατάστασης του συστήματος ), C o. β) Καθορίζεται η διάρκεια ζωής της εγκατάστασης / επένδυσης, Ν έτη. γ) Το ολικό κόστος αντικατάστασης τμημάτων του συστήματος, C R προκύπτει ως άθροισμα των τιμών κόστους αντικατάστασης, C R,Χ, όλων των αντικαθιστούμενων τμημάτων Χ (π.χ. συσσωρευτών/inverters), στο χρόνο ζωής του συστήματος,ν. Το C R,Χ για το τμήμα Χ προκύπτει από αναγωγή του κόστους αντικατάστασής του στο έτος αρχικής επένδυσης του συστήματος. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω του παράγοντα παρούσας αξίας PVF (Present Value Factor). PVF= (2) C R,X = (3) Όπου Cr,x,i το κόστος αντικατάστασης του τμήματος X,το έτος Nr. δ) Το ολικό κόστος συντήρησης και λειτουργίας του συστήματος ανα έτος που προκύπτει με αναγωγή του ολικού ετήσιου κόστους συντήρησης και λειτουργίας 67

68 των τμημάτων του, θεωρούμενο σταθερό ανά έτος,σε παρούσα αξία, με αναφορά στο χρόνο ζωής του συστήματος, μέσω του παράγοντα ανάκτησης κεφαλαίου CRF (Capital Recovery Factor) CRF= (4) Aν o C OM,Y είναι το ολικό κόστος συντήρησης και λειτουργίας (Operation and Maintance) του συστήματος, αναγωγής έτος,για Ν έτη, η παρούσα αξία του C OM, είναι: C OM = (5) Στην περίπτωση i=d στη θέση του CRF τίθεται. Σύμφωνα με τα προηγούμενα, το ολικό κόστος κύκλου ζωής της επένδυσης LCC δίνεται απ τη σχέση : LCC=C o +C r +Com-S (6) Όπου S η απομένουσα αξίας του συστήματος στο τέλος του χρόνου ζωής του. 3. Υπολογίζεται το Καθαρό Ετήσιο Οικονομικό Όφελος, ΚΕΟΟ, αποτελούμενο από το Άμεσο Καθαρό Ετήσιο Οικονομικό Όφελος, ΑΚΕΟΟ και το Έμμεσο Καθαρό Ετήσιο Οικονομικό Όφελος, ΕΚΕΟΟ. ΚΕΟΟ=ΑΚΕΟΟ+ΕΚΕΟΟ (7) Όπου το ΑΚΕΟΟ υπολογίζεται από τη σχέση : ΑΚΕΟΟ= (Περίοδος Αξιοποίησης Μέσα σε έτος, σε ημέρες)*(κόστος Ηλεκτρικής Κιλοβατώρας)*(Κιλοβατώρες Ανά Ημέρα) (8) Οι τιμές που θα εισαχθούν στην παρακάτω σχέση διαφέρουν από πηγή σε πηγή ενέργειας. Το άθροισμα όλων των πηγών ενέργειας που χρησιμοποιούνται, κάνουν το συνολικό ΑΚΕΟΟ. Εμπειρικά προκύπτει ότι ΕΚΕΟΟ=50%ΑΚΕΟΟ (9) Συνεπώς ΚΕΟΟ=1,5 ΑΚΕΟΟ (10) Το ΕΚΕΟΟ είναι αποτέλεσμα : Toυ περιορισμού της οικολογικής επιβάρυνσης, λόγω της χρήσης Ανανεώσιμης Πηγής Ενέργειας (Α.Π.Ε.) 68

69 Της μείωσης των πρόσθετων κοινωνικών δαπανών, που προκαλούνται από τη χρήση των συμβατικών καυσίμων. 4. Η Καθαρή Παρούσα Αξία, ΚΠΑ (Net Present Value,ΝPV), της επένδυσης υπολογίζεται από τη σχέση : ΚΠΑ= -C O +S*PVF(N) (11) Η επένδυση χαρακτηρίζεται βιώσιμη, από το έτος Ν εκείνο (Ν=Ν ΕΠΑ, ΕΠΑ: Έντοκη Περίοδος Αποπληρωμής), από το οποίο και μετά η ΚΠΑ καθίσταται θετική. Το Ν ΕΠΑ προκύπτει απ τη σχέση : Ν ΕΠΑ = (12) 5. Το κόστος ενέργειας (COE),δηλαδή, το κόστος της παραγόμενης, από το σύστημα, ηλεκτρικής kwh, προκύπτει διαιρώντας το ολικό ετήσιο κόστος της επένδυσης (Αnnualised LCC=ALCC), ALCC=LCC*CRF, δια της ετησίως παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, Εy, σε kwh: COE= (13) 4.2 Πληροφορίες Σχετικά Με Το Πρόγραμμα Προσομοίωσης HOMER[21] Εισαγωγή To πρότυπο βελτιστοποίησης (Micropower Optimization Model), HOMER, είναι ένα μοντέλο που αναπτύσσεται από το Αμερικανικό National Renewable Energy Laboratory ( NREL ) για να βοηθήσει τo σχεδιασμό συστημάτων παραγωγής ενέργειας και για να διευκολύνει τη σύγκριση των τεχνολογιών ηλεκτρικής παραγωγής διαμέσου ενός ευρέος φάσματος εφαρμογών. To HOMER διαμορφώνει τη φυσική συμπεριφορά ενός ηλεκτρικού συστήματος και το κόστος κύκλου ζωής του, το οποίο είναι το συνολικό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας σε όλη την διάρκεια της ζωής του. Επίσης, επιτρέπει στο χειριστή του να συγκρίνει πολλές 69

70 διαφορετικές επιλογές βασισμένες στις τεχνικές και στις οικονομικές αξίες του προγράμματος. Βοηθά επίσης στην κατανόηση των αποτελεσμάτων της αβεβαιότητας ή αλλάζει τις εισαγωγές δεδομένων. Τα συστήματα ενέργειας που χρησιμοποιούνται, παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, και ενδεχομένως θερμότητα, για την εξυπηρέτηση ενός φορτιού σε κοντινή απόσταση. Ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να υιοθετήσει οποιονδήποτε συνδυασμό ηλεκτρικών τεχνολογιών παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας και μπορεί να είναι συνδεδεμένο σε δίκτυο ή να είναι αυτόνομο. To HOMER μπορεί να διαμορφώνει τα συνδεδεμένα σε δίκτυο και τα αυτόνομα συστήματα που εξυπηρετούν τα ηλεκτρικά και θερμικά φορτία και που περιλαμβάνουν οποιονδήποτε συνδυασμό φωτοβολταϊκών πλαισίων, ανεμογεννητριών, υδροστροβίλων, ενέργεια από βιομάζα, κελιών καυσίμου, μπαταριών, αποθήκευσης υδρογόνου κ.ά. Ο σχεδιασμός και η ανάλυση συστημάτων παραγωγής ενέργειας είναι αρκετά ενδιαφέρον και ποικίλει, λόγω του μεγάλου αριθμού επιλογών σχεδιασμού και βασικών παραμέτρων, όπως το μέγεθος φορτίων και η μελλοντική μορφή καυσίμου. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας προσθέτουν περαιτέρω πολυπλοκότητα επειδή η παραγωγή ενέργειας τους είναι εποχιακή, καμία φορά δύσκολη στη διανομή και η διαθεσιμότητα ανανεώσιμων πηγών είναι αβέβαιη. To πρόγραμμα αυτό έχει ως σκοπό να υπερνικήσει αυτές τις δυσκολίες. To HOMER εκτελεί τρεις κύριους στόχους: εξομοίωση, βελτιστοποίηση, και ανάλυση ευαισθησίας. Στη διαδικασία εξομοίωσης, μοντελοποιεί την απόδοση μιας διαμόρφωσης συστήματος παραγωγής κάθε ώρα για να καθορίσει το κόστος πραγματοποίησης του και του κύκλου ζωής του. Στη διαδικασία βελτιστοποίησης, εξομοιώνει πολλές διαφορετικές διαμορφώσεις συστημάτων και αναζητάει αυτή που ικανοποιεί τους τεχνικούς περιορισμούς με το χαμηλότερο κόστος κύκλου ζωής του. Στη διαδικασία ανάλυσης ευαισθησίας, εκτελεί πολλαπλές βελτιστοποιήσεις κάτω από μια σειρά υποθετικών δεδομένων για να μετρήσει τα αποτελέσματα της αβεβαιότητας ή αλλάζει τα πρότυπα δεδομένα. Η βελτιστοποίηση καθορίζει τη βέλτιστη αξία των μεταβλητών πέρα από τις οποίες ο χρήστης του συστήματος έχει τον έλεγχο όπως την ανάμιξη των δεδομένων που αποτελούν το σύστημα και το μέγεθος ή την ποσότητα του καθενός. Οι 70

71 βοήθειες ανάλυσης ευαισθησίας αξιολογούν τα αποτελέσματα της αβεβαιότητας ή αλλαγών μεταβλητών στις οποίες ο χρήστης δεν έχει κανέναν έλεγχο, όπως η μέση ταχύτητα του αέρα ή η μελλοντική τιμή καυσίμων. To σχήμα παρακάτω επεξηγεί τη σχέση μεταξύ της εξομοίωσης, της βελτιστοποίησης, και της ανάλυσης ευαισθησίας. Η κυκλική βελτιστοποίηση εσωκλείει την κυκλική εξομοίωση που αντιπροσωπεύει το γεγονός ότι μια ενιαία βελτιστοποίηση αποτελείται από τις πολλαπλάσιες εξομοιώσεις. Ομοίως, η κυκλική ανάλυση ευαισθησίας καλύπτει κυκλικά τη βελτιστοποίηση επειδή μια ενιαία ανάλυση ευαισθησίας αποτελείται από τις πολλαπλάσιες βελτιστοποιήσεις. Για να περιορίσει την πολυπλοκότητα εισαγωγής δεδομένων και για να επιτρέψει γρήγορα τον υπολογισμό της βελτιστοποίησης και της ανάλυσης ευαισθησίας, η λογική εξομοίωσης του HOMER είναι λιγότερο λεπτομερής από αυτή διαφόρων άλλων προτύπων εξομοίωσης. Από την άλλη, το HOMER είναι πιο λεπτομερές από άλλα στατιστικά πρότυπα. Από όλα τα πρότυπα, τo HOMER είναι το πιο εύκαμπτο από την άποψη της ποικιλομορφίας των συστημάτων που εξομοιώνει Φυσική Διαμόρφωση (Physical Modeling) Στο HOMER, το φορτίο αναφέρεται σε μια απαίτηση για ηλεκτρική ή θερμική ενέργεια. Η εξυπηρέτηση των φορτίων είναι ο λόγος για την ύπαρξη των συστημάτων, έτσι η διαμόρφωση ενός συστήματος αρχίζει με τη διαμόρφωση του φορτίου ή των φορτίων που το σύστημα πρέπει να εξυπηρετήσει. To HOMER διαμορφώνει τρεις τύπους φορτίων. To αρχικό φορτίο είναι η ηλεκτρική απαίτηση που πρέπει να εξυπηρετηθεί σύμφωνα με ένα ιδιαίτερο πρόγραμμα. Το φορτίο αναβολής (deferrable load ) είναι ηλεκτρικό φορτίο που μπορεί να εξυπηρετηθεί 71

72 οποιαδήποτε στιγμή μέσα σε μια ορισμένη χρονική έκταση. To θερμικό φορτίο είναι η απαίτηση για τη θερμότητα Πηγές Ο όρος πηγή ισχύει για οτιδήποτε που προέρχεται έξω από το σύστημα και χρησιμοποιείται από αυτό για να παράγει ηλεκτρική ή θερμική ενέργεια. Αυτό περιλαμβάνει τις τέσσερις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ηλιακή, αιολική, υδροηλεκτρική, και βιομάζα) καθώς επίσης και οποιαδήποτε καύσιμα που χρησιμοποιούνται από τα στοιχεία του συστήματος. Οι ανανεώσιμες πηγές εξαρτώνται πάρα πολύ από την θέση τους. Η ηλιακή ενέργεια εξαρτάται έντονα από το γεωγραφικό πλάτος και το κλίμα, η αιολική απ την ταχύτητα του ανέμου και απ τις γεωγραφικές επιρροές, η υδροηλεκτρική απ τις τοπικές βροχοπτώσεις και η βιομάζα απ την τοπική βιολογική παραγωγικότητα. Επιπλέον, σε οποιαδήποτε θέση και αν βρίσκεται μια ανανεώσιμη πηγή μπορεί να παρουσιάσει εποχιακή είτε ώρα με την ώρα μεταβλητότητα. Η φύση των διαθέσιμων ανανεώσιμων πηγών έχει επιπτώσεις στη συμπεριφορά και τα οικονομικά των ανανεώσιμων ηλεκτρικών συστημάτων, δεδομένου ότι η πηγή καθορίζει την ποσότητα και το συγχρονισμό της ανανεώσιμης παραγωγής ενέργειας. Η προσεκτική διαμόρφωση των ανανεώσιμων πηγών είναι επομένως ένα απαραίτητο στοιχείο της διαμόρφωσης συστημάτων Στοιχεία Συστημάτων ΦΒ συστοιχία To HOMER διαμορφώνει τη ΦΒ συστοιχία ως συσκευή που παράγει συνεχή ηλεκτρική ενέργεια, ανεξαρτήτως από τη θερμοκρασία του και την τάση στις οποίες εκτίθεται. To HOMER υπολογίζει την παραγωγή ενέργειας της ΦΒ συστοιχίας χρησιμοποιώντας την εξίσωση : P pv =F pv Y pv (14) 72

73 Όπου, F pv είναι ο παράγοντας παρέκκλισης από τις ιδανικές τιμές της ΦΒ συστοιχίας, Υ pv η εκτιμημένη ικανότητα της ΦΒ συστοιχίας (kw), Ι t η παγκόσμια ηλιακή ακτινοβολία (ακτίνα συν διάχυση) στην επιφάνεια της ΦΒ συστοιχίας (kw/m 2 ), και l s είναι 1 kw/m 2, το οποίο είναι το τυποποιημένο ποσό ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται για να εκτιμήσει την ικανότητα της ΦΒ συστοιχίας. Ανεμογεννήτρια To HOMER διαμορφώνει μια ανεμογεννήτρια ως συσκευή που μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική ενέργεια εναλλασσόμενου ρεύματος ή συνεχούς ρεύματος σύμφωνα με μια ιδιαίτερη καμπύλη ενέργειας, η οποία είναι μια γραφική παράσταση της παραγωγής ενέργειας έναντι της ταχύτητας ανέμου στο ύψος των πλημνών. Γεννήτρια Η γεννήτρια καταναλώνει καύσιμα για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια, και ενδεχομένως θερμότητα ως υποπροϊόν. To HOMER είναι αρκετά εύκαμπτο όσον αφορά την ποικιλία των γεννητριών. Επίσης, τo HOMER μπορεί να διαμορφώσει ένα ηλεκτρικό σύστημα περιλαμβάνοντας τουλάχιστον τρεις γεννήτριες, κάθε μια από τις οποίες μπορεί να είναι εναλλασσόμενου ή συνεχούς ρεύματος, ή ακόμα και κάθε μια από αυτές να μπορεί να καταναλώσει διαφορετικό είδος καύσιμου. To HOMER υποθέτει ότι η καμπύλη καυσίμων είναι μια ευθεία γραμμή με μια Υ-παρεμπόδιση και χρησιμοποιεί την ακόλουθη εξίσωση για την κατανάλωση καυσίμων της γεννήτριας: F=F o Y gen +Fl P gen (15) όπου F o είναι ο συντελεστής παρεμπόδισης καμπύλης καυσίμου, FI είναι η κλίση, τo Y gen η εκτιμώμενη ικανότητα της γεννήτριας (kw), και τo P gen η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας της γεννήτριας (kw). Επίσης, χρησιμοποιεί την ακόλουθη εξίσωση για να υπολογίσει το σταθερό κόστος της γεννήτριας της ενέργειας: C gen,fixed =C om,gen + +F o Y gen C fuel,eff (16) 73

74 όπου C om,gen είναι τo O&M κόστος σε ευρώ ανά ώρα, C rep,gen τo κόστος αντικατάστασης σε ευρώ, R gen η διάρκεια ζωής γεννητριών σε ώρες, F o ο συντελεστής παρεμπόδισης καμπυλών καυσίμων σε ποσότητα καυσίμων ανά ώρα ανά κιλοβάτ, Y gen η ικανότητα της γεννήτριας (kw) και C fuel,eff η αποτελεσματική τιμή των καυσίμων σε ευρώ ανά ποσότητα καυσίμων. Η αποτελεσματική τιμή των καυσίμων περιλαμβάνει τις ποινικές ρήτρες δαπανών που συνδέονται, ενδεχομένως, με τις εκπομπές των ρύπων από τη γεννήτρια. Ακόμα, υπολογίζει την πρόσθετη δαπάνη της ενέργειας της γεννήτριας χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση: C gen,fixed =Fl C fuel,eff (17) όπου Fl είναι η κλίση καμπυλών καυσίμων σε ποσότητα καυσίμων ανά ώρα ανά kwh και C fuel,eff είναι η αποτελεσματική τιμή των καυσίμων (συμπεριλαμβανομένου του κόστους οποιωνδήποτε ποινικών ρητρών στις εκπομπές) σε ευρώ ανά ποσότητα καυσίμων. Μπαταρία Η «τράπεζα» μπαταριών είναι η ποσότητα μιας ή περισσότερων μεμονωμένων μπαταριών. To πρόγραμμα υποθέτει ότι οι ιδιότητες των μπαταριών παραμένουν σταθερές σε όλη τη διάρκεια ζωής τους και δεν επηρεάζονται από τους εξωτερικούς παράγοντες όπως η θερμοκρασία. To πρόγραμμα υπολογίζει τη ζωή της «τράπεζας» μπαταριών ανά έτος ακόλουθα: R batt =min( ) ( 18) όπου Nbatt είναι o αριθμός μπαταριών που χρησιμοποιούνται, Qlifetime η διάρκεια ζωής μιας ενιαίας μπαταρίας, ενός Qthrpt η ετήσια απόδοση, και Rbatt,f η μέγιστη ζωή της ανεξάρτητα από τη ρυθμό απόδοσης Οικονομική Διαμόρφωση (Economic Modeling) Τα οικονομικά διαδραματίζουν έναν ακέραιο ρόλο και στις δύο διαδικασίες εξομοίωσης του HOMER, όπου ενεργοποιούν το σύστημα ώστε να ελαχιστοποιηθεί το συνολικό καθαρό παρόν κόστος, και στη διαδικασία βελτιστοποίησής του, όπου 74

75 ψάχνουν για τη διαμόρφωση συστημάτων με το χαμηλότερο συνολικό καθαρό παρόν κόστος. Οι ανανεώσιμες και μη πηγές ενέργειας έχουν δραματικά διαφορετικά χαρακτηριστικά κόστη. Οι ανανεώσιμες πηγές τείνουν να έχουν τις υψηλές δαπάνες αρχικού κεφαλαίου και χαμηλές λειτουργικές δαπάνες, ενώ οι συμβατικές μη ανανεώσιμες πηγές τείνουν να έχουν χαμηλές τις αρχικές και υψηλές τις λειτουργικές δαπάνες. Στη διαδικασία βελτιστοποίησής του, το HOMER πρέπει συχνά να συγκρίνει τα οικονομικά ενός μεγάλου φάσματος διαμορφώσεων συστημάτων περιλαμβάνοντας τα διάφορα ποσά ανανεώσιμων και μη πηγών ενέργειας. Η ανάλυση δαπανών του κύκλου ζωής πραγματοποιείται με τη σύνοψη όλων των δαπανών που εμφανίζονται μέσα στη διάρκεια ζωής του συστήματος. To HOMER χρησιμοποιεί το συνολικό καθαρό παρόν κόστος (NPC) για να αντιπροσωπεύσει το κόστος του κύκλου ζωής ενός συστήματος. To συνολικό NPC συμπυκνώνει όλες τις δαπάνες και τα εισοδήματα που εμφανίζονται μέσα στη διάρκεια ζωής σε ένα ποσό, με τις μελλοντικές ταμειακές ροές χρησιμοποιώντας το επιτόκιο. Ο χρήστης διευκρινίζει το ποσοστό επιτοκίου και τη διάρκεια ζωής του προγράμματος. To NPC περιλαμβάνει τις αρχικές δαπάνες κατασκευής, αντικαταστάσεις, συντήρηση, καύσιμα, συν το κόστος της αγοράς ενέργειας από το δίκτυο και των διάφορων δαπανών όπως οι ποινικές ρήτρες ως αποτέλεσμα των εκπομπών ρύπων. Τα εισοδήματα περιλαμβάνουν το εισόδημα από την πώληση της ενέργειας στο δίκτυο, συν οποιαδήποτε αξία διάσωσης που εμφανίζεται στο τέλος της διάρκειας ζωής του προγράμματος. Με τo NPC, οι δαπάνες είναι θετικές και τα εισοδήματα είναι αρνητικά. Αυτό είναι το αντίθετο της καθαρής παρούσας αξίας. Κατά συνέπεια, το καθαρό παρόν κόστος είναι διαφορετικό από την καθαρή παρούσα αξία. To HOMER υποθέτει ότι όλες οι τιμές κλιμακώνονται στο ίδιο ποσοστό ανεξάρτητα από τη διάρκεια ζωής του προγράμματος. Ο χρήστης του HOMER εισάγει το πραγματικό επιτόκιο, το οποίο είναι κατά προσέγγιση ίσο με το ονομαστικό επιτόκιο μείον το ποσοστό πληθωρισμού. Όλες οι δαπάνες στο HOMER είναι πραγματικές δαπάνες, που σημαίνουν ότι καθορίζονται από την τιμή των σταθερών ευρώ. 75

76 Για κάθε στοιχείο του συστήματος, ο χρήστης διευκρινίζει το κόστος αρχικού κεφαλαίου, το οποίο εμφανίζεται στο έτος μηδέν, το κόστος αντικατάστασης, που εμφανίζεται κάθε φορά που χρειάζεται κάποιο στοιχείο αντικατάσταση στο τέλος της διάρκειας ζωής του και το κόστος συντήρησης, το οποίο εμφανίζεται κάθε έτος της διάρκειας ζωής προγράμματος. Ο χρήστης διευκρινίζει τη διάρκεια ζωής των περισσότερων συστατικών στα έτη, αλλά το HOMER υπολογίζει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και των γεννητριών. Το κόστος αντικατάστασης ενός στοιχείου μπορεί να διαφέρει από το κόστος αρχικού κεφαλαίου του για διάφορους λόγους. To HOMER χρησιμοποιεί την ακόλουθη εξίσωση για να υπολογίσει το συνολικό καθαρό παρόν κόστος: C nrc = (19) όπου C ann,tot είναι το συνολικό ετήσιο κόστος, iτο ετήσιο πραγματικό, Rproj η διάρκεια ζωής προγράμματος, και CRF (*) είναι ο κύριος παράγοντας αποκατάστασης, που δίνεται από την εξίσωση : CRF(i,N) - (20) όπου το i είναι το ετήσιο πραγματικό επιτόκιο και το Ν είναι ο αριθμός ετών. To HOMER χρησιμοποιεί την ακόλουθη εξίσωση για να υπολογίσει το κόστος ενέργειας: της COE= (21) όπου C ann,tot είναι το συνολικό ετήσιο κόστος, E prim και E def είναι τα συνολικά ποσά αρχικού και deferrable φορτίο, αντίστοιχα, το οποίο το σύστημα εξυπηρετεί το χρόνο και Egrid οι πωλήσεις ποσού ενέργειας προς το δίκτυο το χρόνο. Ο παρονομαστής στην παραπάνω εξίσωση είναι μια έκφραση του συνολικού ποσού της χρήσιμης ενέργειας που το σύστημα παράγει το χρόνο. To κόστος της ενέργειας 76

77 είναι επομένως το μέσο κόστος ανά kwh της χρήσιμης ηλεκτρικής ενέργειας που παρήχθη από το σύστημα. Αν και το κόστος της ενέργειας είναι συχνά κατάλληλο ως μέτρο σύγκρισης των δαπανών διαφορετικών συστημάτων, το HOMER χρησιμοποίει το συνολικό NPC αντί αυτού. Στη διαδικασία βελτιστοποίησής του, παραδείγματος χάριν, το HOMER ταξινομεί τις διαμορφώσεις συστημάτων σύμφωνα με NPC και όχι με το κόστος της ενέργειας. Αυτό συμβαίνει επειδή ο καθορισμός του κόστους της ενέργειας είναι πιο αμφιλεγόμενος απ ότι ο καθορισμός του συνολικού NPC. 77

78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΑΥΤΟΝΟΜΩΝ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 5.1 Εισαγωγή[22] Πολυάριθμα αυτόνομα ηλεκτρικά συστήματα (SAPS) έχουν εγκατασταθεί σε ολόκληρη την Ευρώπη. Αυτά τα συστήματα παρέχουν ισχύ σε τεχνικές εγκαταστάσεις και κοινότητες σε περιοχές που δεν έχουν πρόσβαση στο περιφερειακό ή εθνικό δίκτυο. Ένας αυξανόμενος αριθμός τέτοιων συστημάτων περιλαμβάνει τεχνολογίες ανανεώσιμης ενέργειας (ηλιακή ή αιολική ενέργεια), συχνά σε συνδυασμό με γεννήτριες diesel με ή χωρίς μπαταρίες ως εφεδρική πηγή, αλλά η πλειοψηφία των μεγαλύτερων SAPS είναι ακόμα βασισμένη στην παραγωγή ισχύος από ορυκτά καύσιμα. Η αντικατάσταση των γεννητριών diesel και των μπαταριών από τα κύτταρα καυσίμου (FC) που λειτουργούν με βάση το άφθονο υδρογόνο θα ελαχιστοποιούσε την εξάρτηση από ορυκτά καύσιμα, συμβάλλοντας έτσι στη μείωση την περιβαλλοντικών επιδράσεων και ενδεχομένως στη μείωση του κόστους λειτουργίας και συντήρησης. Η αγορά SAPS θεωρείται μια αγορά όπου η τεχνολογία κυττάρων καυσίμου μπορεί να είναι ανταγωνιστική βραχυπρόθεσμα, λόγω του υψηλού κόστους λειτουργίας και συντήρησης. Η αποθήκευση της ανανεώσιμης ενέργειας (συνήθως της ηλιακής ενέργειας) υπό μορφή ηλεκτρολυτικά παραχθέντος υδρογόνου στα αυτόνομα ηλεκτρικά συστήματα και επανηλέκτριση του υδρογόνου στα κύτταρα καυσίμου έχει ερευνηθεί σε πολλά συστήματα επίδειξης και είναι σχετική με τις μη συνδεδεμένες στο δίκτυο κοινότητες και τις απομονωμένες περιοχές. Διάφοροι ερευνητές έχουν ερευνήσει τέτοια συστήματα, όπως περιγράφονται στις ακόλουθες παραγράφους. Εκτός από την ανάπτυξη της τεχνολογίας των στοιχείων ανανεώσιμης ενέργειας, η μελέτη των συστημάτων που περιλαμβάνουν τα εν λόγω στοιχεία καθώς και η βελτιστοποίηση της λειτουργίας τους έχουν λάβει κάποια προσοχή αλλά είναι βεβαίως ένα θέμα που απαιτεί περαιτέρω προσοχή. 78

79 Έτσι αναπτύχθηκε ένα δυναμικό μοντέλο προκειμένου να εξομοιωθούν ηλεκτρικά συστήματα, τα οποία τροφοδοτούνται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (συνήθως αιολική και ηλιακή ενέργεια), με ή χωρίς μπαταρίες. Επίσης χρησιμοποιεί το αέριο υδρογόνο ως ανεξάντλητη πηγή ενέργειας καθώς και τα electrolysers και τα κύτταρα καυσίμου ως μέσα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από το υδρογόνο. Σε αυτό το μοντέλο, οι συσκευές ισχύος (μετατροπείς ενίσχυσης και μεταφοράς ) διαμορφώνονται τόσο για σταθερές όσο και μεταβατικές συμπεριφορές. Οι Wallmark και Alvfors έχουν μελετήσει τον τεχνικό σχεδιασμό και έχουν επιχειρήσει την οικονομική αξιολόγηση ενός αυτόνομου FC συστήματος με μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων (ΡΕΜ), το όποιο έχει συνδεθεί πολύ μακριά από το δίκτυο και τροφοδοτεί έναν μικρό αριθμό κτιρίων. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι η εγκατάσταση συστημάτων με κύτταρα καυσίμου δεν είναι οικονομικά βιώσιμη στις παρούσες συνθήκες. Πολύ μεγάλη σημασία έχει επίσης και η διαστατοποίηση των στοιχείων του συστήματος. Τα αυτόνομα ενεργειακά συστήματα υδρογόνου με διάφορους συνδυασμούς ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, δηλαδή ηλιακή, υδροηλεκτρική και αιολική αναλύθηκαν με βάση το σχεδιασμό και τη λειτουργία τους. Η ανάλυση έδειξε ότι η προτιμότερη λύση ποικίλει ανάλογα με τα μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής εγκατάστασης καθώς και το προφίλ του φορτίου. Οι Khan και Iqbal προετοίμασαν μια μελέτη όσον αφορά το πόσο εφικτά είναι τα αυτόνομα υβριδικά συστήματα με το υδρογόνο ως καύσιμο για εφαρμογές στη Νέα Γη και στον Καναδά. Διαφορετικές λύσεις που βασίζονται σε ανανεώσιμες και μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας καθώς και μια ευρεία ποικιλία μεθόδων αποθήκευσης της ενέργειας εξετάστηκαν χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα βελτιστοποίησης υβριδικών συστημάτων (HOMER) ως εργαλείο προσομοίωσης και βελτιστοποίησης. 5.2 Σκοπός της Παρούσας Εργασίας Στην παρούσα εργασία θα παρουσιαστεί μια σύγκριση τεσσάρων διαφορετικών συνδυασμών υβριδικών συστημάτων που στηρίζονται στη χρήση 79

80 Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας ( ηλιακή, αιολική και υδρογόνου) σε συνδυασμό με κινητήρα πετρελαίου σε δύο συγκεκριμένες περιοχές της Αιτωλοακαρνανίας με σκοπό την ανεύρεση του πιο συμφέροντος συνδυασμού πηγών ενέργειας όσον αφόρα τον οικονομικό τομέα, την παραγωγή ενέργειας και την ενέργεια που χάνεται. Η πρώτη περιοχή που εξετάστηκε για τις ανάγκες της εργασίας ήταν η Τουρλίδα ένα από τα νησάκια της λιμνοθάλασσας Μεσολογγίου που απέχει 5 χλμ. από το Μεσολόγγι. Στο μικρό αυτό νησί υπάρχουν 30 εξοχικές κατοικίες. Οι εγκαταστάσεις είναι κατοικημένες μόνο κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού έτσι που οι μπαταρίες να είναι φορτισμένες πλήρως στην αρχή της περιόδου που υπάρχει ζήτηση φορτίου καθώς η ισχύς από τα φωτοβολταϊκά και τις ανεμογεννήτριες δεν εκμεταλλεύεται για μεγάλη περίοδο κατά τη διάρκεια του έτους. Η δεύτερη περιοχή είναι το χωριό Ελληνικά Μεσολογγίου. Στη δυτική πλευρά του Αράκυνθου σε υψόμετρο 720μέτρα.Στη περιοχή υπάρχουν επίσης 30 κατοικίες αλλά το χωριό κατοικείται όλη τη διάρκεια του έτους. 80

81 Σκοπός λοιπόν είναι η δημιουργία αυτόνομου συστήματος παραγωγής ενέργειας για την κάλυψη των αναγκών ενέργειας των κατοίκων των περιοχών όποτε κάθε μια από αυτές έχει ανάγκη.η διείσδυση ανανεώσιμων πηγών στις περιοχές είναι σχετικά χαμηλή. Αυτά τα προβλήματα θα μπορούσαν να υπερνικηθούν με την εισαγωγή των τεχνολογιών υδρογόνου στο σύστημα, οι οποίες θα αντικαθιστούσαν τις συμβατικές τεχνολογίες, όπως οι γεννήτριες diesel. Ακόμα η επιπλέον ισχύς από τα φωτοβολταϊκά ή τις Α/Γ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να συμβάλει στην λειτουργία ενός electrolyser που θα παράγει υδρογόνο σε περιόδους χαμηλής ζήτησης από το φορτίο.to υδρογόνο που είναι το προϊόν της ηλεκτρόλυσης, μπορεί να αποθηκευτεί σε συμβατικές δεξαμενές υπό πίεση και να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο σε περιόδους μέγιστης ζήτησης, μέσω ενός κυττάρου καυσίμου ΡΕΜ. Η μελέτη αυτή έγινε με τη βοήθεια του προγράμματος εξομοίωσης HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables), υβριδικό πρότυπο βελτιστοποίησης υβριδικών συστημάτων που χρησιμοποιούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και συγκεκριμένα την έκδοση To υλικό αυτό διανέμεται ελεύθερο στο διαδίκτυο στην ιστοσελίδα και έχει κατασκευαστεί για την τεχνο-οικονομική μελέτη συστημάτων παραγωγής ενέργειας με πληροφορίες από όλες τις περιοχές του κόσμου καθώς έχει πρόσβαση στα αρχεία της NASA. 81

82 5.3 Στοιχεία Υβριδικών Συστημάτων ΦΒ συστοιχία[23] Έχουν χρησιμοποιηθεί ΦΒ πάνελ της εταιρίας Mitsubishi και συγκεκριμένα τα MF180 PVTD4 με ονομαστική ισχύ τα 180W έκαστο. To κόστος για την εγκατάσταση της συστοιχίας είναι 2700 kw -1. To κόστος αντικατάστασης είναι kw -1 και 0 το κόστος συντήρησης. Η διάρκεια ζωής είναι 20 χρόνια, η κλίση είναι 35 μοίρες. Για την πραγματοποίηση της ανάλυσης ευαισθησίας χρησιμοποιήσαμε επίσης κλίσεις 30 και 25 μοιρών. ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΑΝΕΛ: Κατασκευαστής MITSUBISHI ELECTRIC Μοντέλο PV-MF180TD4 Τύπος Κυψελών Πολυκρυσταλλικός, 156mm x 156mm Ονομαστική Ισχύς (Pmax) 180W Ελάχιστη Εγγύηση Ισχύος Pmax W Τάση στο σημείο μέγιστης ισχύος (Voc) 30V Ρεύμα Βραχυκύκλωσης (Imp) 8.03A Μέγιστη Τάση Ισχύος (Vmp) 24.2V Μέγιστο Ρεύμα Ισχύος (Imp) 7.45A Μέγιστη Τάση Συστήματος DC 780V Αντοχή Ασφάλειας 15A Τερματικό παραγωγής + 800mm/(-) 1250 με MC connector Διαστάσεις 1658 x 83.4 x 46mm Βάρος 13.5kg Αποδοτικότητα Κυψέλης 12,4% 82

83 Στοιχεία Παραμέτρων στο HOMER: Ανεμογεννήτρια[24] Στις εξομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν oι AC τύπου ανεμογεννήτριες SW Skystream 3.7. To κόστος αγοράς τους μαζί με τον πύργο είναι 2950 αντικατάστασης Η μέγιστη παραγωγή τους είναι 1.8kW και η διάρκεια ζωής τους ξεπερνά τα 20 έτη. Τεχνικά Χαρακτηριστικά Ανεμογεννήτριας: AWEA Rated Annual Energy Rated Power Nominal Power Energy Monitoring Weight 3,420 kwh* 2.1 kw at 11 m/s 2.4 kw at 13 m/s Skyview wireless communication & monitoring system 170 lb (77 kg) 12 ft (3.72 m) Swept Area: Rotor Diameter ft² (10.87 m²) 83

84 Type Direction of Rotation Blade Material Downwind rotor with stallregulation control Clockwise looking upwind Fiberglass reinforced composite Number of Blades 3 Rotor Speed Tip Speed rpm 213 ft/sec. (66 m/s) Slotless permanent magnet Alternator Yaw Control brushless Passive Southwest Windpower inverter Grid Feeding 120/240 VAC Hz Electronic stall regulation with Braking System redundant relay switch control Cut-in Wind Speed (power starts) User Control production 6.7 mph (3.0 m/s) Wireless 2-way interface remote system Survival Wind Speed 140 mph (63 m/s) Στοιχεία Παραμέτρων στο HOMER: 84

85 Καμπύλη ενέργειας συναρτήσει ταχύτητας ανέμου: Γεννήτρια πετρελαίου (Diesel Generator) [25],[26] Έχουν χρησιμοποιηθεί ντηζελογεννήτριες τύπου SDMO Technic 3000 και Stephill To κόστος αγοράς τους είναι 560 και 930 αντίστοιχα. Η διάρκεια ζωής τους είναι ώρες λειτουργίας. Για την ανάλυση ευαισθησίας παίρνουμε τιμή πετρελαίου 1,5 L -1. Τεχνικά Χαρακτηριστικά Γεννητριών: 85

86 Στοιχεία Παραμέτρων στο HOMER: Μπαταρίες[27] Στην εφαρμογή μας χρησιμοποιήθηκαν μπαταρίες Hoppecke 10 OPzS Έχουν ικανότητα Ah(2 kwh), διάρκεια ζωής 20 χρόνια και κοστίζουν 528 η καθεμία, με κόστος αντικατάστασης 500 και κόστος χειρισμού 2 /year. Τεχνικά Χαρακτηριστικά Μπαταριών: 86

87 Στοιχεία Παραμέτρων στο HOMER: Αντιστροφέας[28] Χρησιμοποιήθηκε ένας AC - DC αντιστροφέας τύπου XTH5000 της εταιρίας STUDER με ενσωματωμένο φορτιστή 120 Α. To κόστος αγοράς του είναι 4150,τo κόστος αντικατάστασης 3900 και έχει μηδενικό κόστος λειτουργίας και συντήρησης. Ο αντιστροφέας έχει ονομαστική ισχύ 4.5kW, διάρκεια ζωής 8 χρόνια και αποδοτικότητα 94 %. Τεχνικά Χαρακτηριστικά Αντιστροφέα: Στοιχεία Παραμέτρων στο HOMER: Κυψέλες Καυσίμου (FUEL CELL)[29],[30] Χρησιμοποιήθηκαν κυψέλες καυσίμου τύπου S-series της εταιρείας Cellcraft.H διάρκεια ζωής τους είναι 15 έτη. To κόστος των κελιών καυσίμου 87

88 ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο τεχνολογίας, το μέγεθος, το μεταρρυθμιστή, των βοηθητικών εξοπλισμών και των μετατροπέων ενέργειας. Οι τιμές των ΡΕΜ κελιών καυσίμου κυμαίνονται από / kw, κόστος που ενδέχεται να μειωθεί στο μέλλον και η απόδοση τους είναι στο 50 %. Στην δική μας περίπτωση, επιλέχτηκε ως κύριο κόστος / kw, κόστος αντικατάστασης / kw και 0,01 / hour. Τεχνικά Χαρακτηριστικά Κυψέλης Καυσίμου: Στοιχεία Παραμέτρων στο HOMER: Ηλεκτρολύτης (Electrolyser)[30] Οι ΡΕΜ ηλεκτρολύτες είναι οι πιο κοινώς χρησιμοποιούμενοι σε αυτόνομα συστήματα παράγωγης ενέργειας. Στην περίπτωση μας χρησιμοποιήσαμε τον ηλεκτρολύτη HOGEN 40 6kW. Περιέχεται TO ΡΕΜ stack, τα ηλεκτρονικά ισχύος και το σύστημα έλεγχου μέσα στον ηλεκτρολύτη αυτό. To κόστος του HOGEN 40 είναι όποτε κάθε kw κοστίζει /kw. To κόστος αντικατάστασης είναι /kw, το κόστος χειρισμού είναι 20 /yr. Η διάρκεια ζωής 20 χρόνια και η αποδοτικότητα είναι 80 %. 88

89 Στοιχεία Παραμέτρων στο HOMER: Αποθήκευση υδρογόνου (Hydrogen Tank)[30] To υδρογόνο που παράγεται στα 30 bar από τους ηλεκτρολύτες, θα αποθηκευτεί σε συμβατικές δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου, το μέσο κόστος των οποίων είναι 38 / Nm 3 ή 432 /kg. To κόστος αντικατάστασης είναι 400 / kg, το κόστος χειρισμού είναι 2 / year και η διάρκεια ζωής είναι 20 χρόνια. Στοιχεία Παραμέτρων στο HOMER: Οικονομικά στοιχεία εξομοίωσης και περιορισμοί Η διάρκεια ζωής της εγκατάστασης του συστήματος (project lifetime) όπως έχει εισαχθεί στην επιλογή Economics μας είναι τα 20 χρόνια και το πραγματικό επιτόκιο της επένδυσης είναι 6 %. Επίσης, στην ανάλυση μας πρέπει να προσθέσουμε και για το κόστος σταθερού κεφαλαίου για το μικρό αυτόνομο σύστημά μας καθώς και 100 για γενικότερα κόστη συντήρησης των μονάδων.η μέγιστη ετήσια έλλειψη ικανότητας του συστήματος όπως επιλέχθηκε στο Constraints είναι στο 0.1% και η εφεδρεία ενέργειας στο 10%. Ο ελάχιστος βαθμός διείσδυσης των ΑΠΕ έχει οριστεί 25%. 89

90 5.4 Εξομοίωση Αυτόνομου Υβριδικού Συστήματος Τουρλίδας Ενεργειακές Απαιτήσεις Φορτίου[31] Όπως ήδη αναφέρθηκε στη περιοχή της Τουρλίδας υπάρχουν μόνο εξοχικές κατοικίες. Οπότε χρειάζεται να καλύψουμε φορτίο από το μήνα Μάιο έως και το Σεπτέμβρη. Η ετήσια μέση ημερήσια κατανάλωση ενέργειας είναι 29,4kWh και η ετήσια μέγιστη τιμή ισχύος είναι 7,62kW. H κατανομή φορτίου μια τυπικής μέρας του Μαϊου φαίνεται παρακάτω Ηλιακά Δεδομένα Περιοχής Οι μετρήσεις της ωριαίας ηλιακής ακτινοβολίας για την χρονική περίοδο ενός έτους προκειμένου να υπολογιστούν οι μηνιαίες μέσες τιμές του δείκτη αιθριότητας και της καθημερινής ακτινοβολίας εισήχθηκαν αυτόματα στο 90

91 πρόγραμμα εξομοίωσης HOMER, εφόσον το πρόγραμμα έχει πρόσβαση στα καιρικά στοιχεία της NASA με την προϋπόθεση του ορισμού του γεωμετρικού πλάτους και γεωμετρικού μήκους της περιοχής. Η περιοχή μας έχει το ακόλουθο γεωγραφικό πλάτος και μήκος: Η μέσες μηνιαίες τιμές του δείκτη αιθριότητας και της ημερήσιας ακτινοβολίας φαίνονται στους παρακάτω πίνακες: 91

92 5.4.3 Ταχύτητα Ανέμου[32] Τα στοιχεία για τη ταχύτητα του ανέμου τα λάβαμε από το site της NASA και παρουσιάζονται στους επόμενους πίνακες: PV-diesel υβριδικό σύστημα Περιγραφή[33] Η λειτουργία του υβριδικού συστήματος στην κανονική του λειτουργία είναι η εξής: Τα φωτοβολταϊκά παρέχουν την απαιτούμενη ισχύ στο φορτίο μέσω του μετατροπέα ισχύος. Η πρόσθετη ενέργεια από τα ΦΒ φορτίζει τις μπαταρίες μέσω του ρυθμιστή φόρτισης μέχρι οι μπαταρίες να φτάσουν στο μέγιστο επίπεδο φόρτισής τους. Ο κύριος σκοπός της χρήσης μπαταριών σαν αποθηκευτικό μέσο ενέργειας είναι για να παρέχει ή να αποθηκεύσει ενέργεια ανάλογα με τη ζήτηση. Η 92

93 ντηζελογεννήτρια μπαίνει σε λειτουργία εάν τη ζήτηση του φορτίου δεν μπορούν να καλύψουν τα ΦΒ αλλά ούτε και οι μπαταρίες Εξομοίωση του PV-Diesel συστήματος To διάγραμμα τo όποιο χρησιμοποιήσαμε για την εξομοίωση φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Στα αποτελέσματα βελτιστοποίησης (optimization results), δηλαδή στις 35 ο γωνίας κλίσης ΦΒ, διαπιστώνουμε ότι: Χρειαστήκαμε 9 kw ΦΒ ισχύος, 6 kw ισχύος γεννήτριας πετρελαίου, 20 μπαταριές και 4.5 kw ισχύ αντιστροφέα. To σύστημα εξομοιώθηκε με σκοπό να αξιολογηθούν τα λειτουργικά του χαρακτηριστικά δηλαδή ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ετήσιο ηλεκτρικό προσφερόμενο φορτίο, ανεκμετάλλευτη ηλεκτρική ενέργεια, κλάσμα ανανεώσιμης ενέργειας, μειωμένη ικανότητα λειτουργίας του συστήματος, ακάλυπτο φορτίο κ.λπ. Μερικές περιβαλλοντικές παράμετροι επίδρασης του συστήματος (εκπομπές άνθρακα, ετήσια κατανάλωση πετρελαίου) έχουν επίσης υπολογιστεί. Τα αποτελέσματα της εξομοίωσης έδειξαν ότι το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ίση με 19,055kWh (οι 13,429 kwh προέρχονται από τα φωτοβολταϊκά). Τα αποτελέσματα που σχετίζονται με την παραγωγή 93

94 ηλεκτρικής ενέργειας και το φορτίο που καλύπτεται από το σύστημα συνοψίζονται στους παρακάτω πίνακες: Όπως παρατηρούμε από τους παραπάνω πίνακες το σύστημα καλύπτει πλήρως της ενεργειακές ανάγκες του φορτίου μας και με πολύ υψηλή αξιοπιστία, αφού το ποσοστό του ελλείμματος ενέργειας τείνει στο 0% ενώ στην εξομοίωση θέσαμε ανεκτό όριο το 0.1%. To σύστημα μας παράγει ηλεκτρική ενέργεια σε ποσοστό 70% από τα φωτοβολταϊκά και 30% από την γεννήτρια. Παρατηρούμε επίσης ότι έχουμε ένα σημαντικό πλεόνασμα παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας ίσο με 35.3% της μέσης ετήσιας συνολικής παραγόμενης ενέργειας, το οποίο είναι από την παραγόμενη ενέργεια των φωτοβολταϊκών. Το ποσοστό είναι μεγάλο αφού από τον Οκτώβρη έως και τον Απρίλη δεν έχω καμία απαίτηση σε φορτίο. Στο διάστημα αυτό όμως τα φωτοβολταϊκά παράγουν ενέργεια η οποία είναι ανεκμετάλλευτη. Την ανεκμετάλλευτη αυτή ενέργεια μπορούμε να την αποθηκεύσουμε με τη μορφή συμπιεσμένου υδρογόνου με το οποίο θα λειτουργεί ένα ΡΕΜ fuel cell για ακόμη μεγαλύτερη εκμετάλλευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά και βελτίωση του κλάσματος ανανεώσιμης ενέργειας. Στο παραπάνω γράφημα βλέπουμε τη μέση μηνιαία παράγωγη ηλεκτρικής ενεργείας και σε τι ποσοστό καλύπτεται αυτή από τα φωτοβολταϊκά και την γεννήτρια. Τους μήνες αιχμής Μάιο, Ιούνιο, Ιούλιο, Αύγουστο, Σεπτέμβριο το φορτίο καλύπτεται στο μεγαλύτερο μέρος από τα φωτοβολταϊκά λόγω της υψηλής ηλιακής ακτινοβολίας που έχουμε αυτούς τους μήνες. Από τον παρακάτω πίνακα βλέπουμε ότι η γεννήτρια λειτουργεί 1,011 hr/yr. 94

95 Μια τυπική ημέρα του Ιουλίου το σύστημα έχει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του παρακάτω γραφήματος. Στο γράφημα παρουσιάζονται το AC φορτίο, που πρέπει να καλυφτεί, η παραγόμενη ισχύς από τα φωτοβολταϊκά πάνελ και η παραγόμενη ισχύς από την γεννήτρια. Σύμφωνα με το γράφημα κατά τη διάρκεια της ημέρας ( ) έχουμε μεγάλη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά πάνελ, η γεννήτρια είναι ανενεργή και έχουμε φόρτιση των μπαταριών. Αντίθετα κατά τις νυχτερινές ώρες η γεννήτρια είναι αυτή που ενεργοποιείται για να καλύψει τις ανάγκες του φορτίου μαζί με την ενέργεια των μπαταριών. 95

96 Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του PV-Diesel συστήματος Στους παρακάτω πίνακες παρουσιάζονται το συνολικό παρόν κόστος του συστήματος, ουσιαστικά το συνολικό κόστος για τα επόμενα 20 χρόνια λειτουργίας και το ετήσιο κόστος του συστήματος. Παρουσιάζεται το κόστος για το κάθε μέρος του συστήματος χωρισμένο στα βασικά οικονομικά χαρακτηριστικά του προγράμματος εξομοίωσης Homer (Capital, Replacement, Operating, Fuel, Salvage). To μεγαλύτερο ποσό του κόστους του συστήματος είναι για την προμήθεια και εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών πάνελ. Παρατηρούμε επίσης ότι ενώ το κόστος εγκατάστασης της ντηζελογεννήτριας είναι μικρό, το κόστος των καυσίμων της συνολικά είναι τεράστιο επιβεβαιώνοντας το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας παραγωγής ενέργειας παρά την μικρή προσφορά ενέργειας της στο σύστημα όπως είδαμε πιο πάνω. To κόστος επιβαρύνεται σημαντικά και από τις μπαταρίες, οι οποίες δεν μπορούν να αποθηκεύσουν τα μεγάλα ποσά παραγόμενης ενέργειας. 96

97 To τελικό κόστος παραγωγής μίας κιλοβατώρας συνολικά για τα 20 χρόνια του συστήματος ανέρχεται στα / kwh, το οποίο είναι αρκετά υψηλό σε σύγκριση με την χρέωση της Δ.Ε.Η. που είναι 0.09 /kwh WIND-diesel υβριδικό σύστημα [34],[35] Περιγραφή To υβριδικό σύστημα που προσομοιώθηκε, παρατίθεται παρακάτω. Αποτελείται από Α/Γ, ντηζελογεννήτρια, αντιστροφέα και μπαταρίες. Η λειτουργία του υβριδικού συστήματος είναι η εξής: Σε φυσιολογικές συνθήκες η Α/Γ καλύπτει το φορτίο. Η πλεονάζουσα ενέργεια, αν υπάρχει, φορτίζει τις μπαταρίες μέχρι να φορτισθούν πλήρως. Ο σκοπός της εισαγωγής των μπαταριών είναι να δίνουν ή να αποθηκεύουν ενέργεια ανάλογα με την περίσταση. Σε περίπτωση που οι μπαταρίες 97

98 φορτισθούν πλήρως και η Α/Γ συνεχίζει να λειτουργεί, η ενέργεια που παράγεται, χάνεται (excess electricity). Η ντηζελογεννήτρια (diesel backup system) εκκινεί σε περιπτώσεις που οι μπαταρίες είναι άδειες και το αιολικό δυναμικό εκείνη τη στιγμή αδυνατεί να καλύψει το φορτίο Εξομοίωση του WIND-diesel υβριδικού συστήματος To διάγραμμα τo όποιο χρησιμοποιήσαμε για την εξομοίωση φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Στα αποτελέσματα βελτιστοποίησης (optimization results), με τιμή καυσίμου 1.5 /L διαπιστώνουμε ότι: Χρειαστήκαμε 8 ανεμογεννήτριες ισχύος 1.8kW, 6 kw ισχύος γεννήτριας πετρελαίου, 10 μπαταριές και 4.5 kw ισχύ αντιστροφέα. Τα αποτελέσματα της εξομοίωσης έδειξαν ότι το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ίση με 31,283kWh (οι 24,853kWh προέρχονται από τις ανεμογεννήτριες. Τα αποτελέσματα που σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το φορτίο που καλύπτεται από το σύστημα συνοψίζονται στους παρακάτω πίνακες. Η γεννήτρια πετρελαίου χρησιμοποιείται μόνο όταν έχουμε ανάγκη για ενέργεια, δηλαδή τους καλοκαιρινούς μήνες, ενώ οι 98

99 ανεμογεννήτριες παράγουν ενέργεια καθόλη τη διάρκεια του χρόνου. Η ανεκμετάλλευτη ηλεκτρική ενέργεια θα μπορούσε να αποθηκεύεται με τη μορφή συμπιεσμένου υδρογόνου με το οποίο θα λειτουργεί ένα ΡΕΜ fuel cell ώστε να μειωθούν στον ελάχιστο δυνατό βαθμό οι ρύποι του συστήματος. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του συστήματος που φαίνονται παρακάτω δείχνουν ότι : Η γεννήτρια πετρελαίου όπως φαίνεται παρακάτω καλύπτει το φορτίο κατά τους καλοκαιρινούς μήνες και σύμφωνα με τα αποτελέσματα της εξομοίωσης λειτουργεί 1,127hr/yr και έχει κατανάλωση καυσίμου γύρω στα 2,148L/yr. Μια τυπική ημέρα του Ιουλίου το σύστημα έχει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του επόμενου σχήματος. Στο σχήμα παρουσιάζονται το AC φορτίο, που πρέπει να καλυφτεί, η παραγόμενη ισχύς από τις ανεμογεννήτριες, η παραγόμενη ισχύς από την γεννήτρια και το επίπεδο φόρτισης των μπαταριών. Σύμφωνα με το σχήμα κατά τη διάρκεια της ημέρας το φορτίο εξυπηρετείται από τις ανεμογεννήτριες και τις μπαταρίες. Η γεννήτρια είναι ενεργοποιημένη μόνο όταν η παραγόμενη ισχυς των ανεμογεννητριών και των μπαταριών δεν μας αρκεί. 99

100 Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του WIND-Diesel υβριδικού συστήματος Στους παρακάτω πίνακες παρουσιάζονται το συνολικό παρόν κόστος του συστήματος, ουσιαστικά το συνολικό κόστος του συνολικά για τα 20 χρόνια και το ετήσιο κόστος του συστήματος. Παρουσιάζεται το κόστος για το κάθε μέρος του συστήματος χωρισμένο στα βασικά οικονομικά χαρακτηριστικά του προγράμματος εξομοίωσης Homer (Capital, Replacement, Operating, Fuel, Salvage).To μεγαλύτερο ποσό του κόστους κεφαλαίου του συστήματος είναι για την προμήθεια και εγκατάσταση των ανεμογεννητριών. Παρατηρούμε επίσης ότι το κόστος που αφορά την αγορά της ντηζελογεννήτριας είναι μικρό, ενώ το κόστος αυξάνεται και από τις μπαταρίες. 100

101 101

102 To τελικό κόστος παραγωγής μίας κιλοβατώρας συνολικά για τα 20 χρόνια του συστήματος ανέρχεται /kwh, το οποίο είναι αρκετά υψηλό σε σύγκριση με την χρέωση της Δ.Ε.Η. που είναι 0.09 /kwh WIND-PV υβριδικό σύστημα Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος[36] To σύστημα αποτελείται από AC ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκή συστοιχία αλλά και μπαταρίες που τροφοδοτούν το φορτίο μέσω του μετατροπέα ισχύος. Κατά τη διάρκεια λειτουργίας του αυτόνομου υβριδικού συστήματος μπορούμε να έχουμε τις εξής καταστάσεις: Αν η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας είναι μικρότερη από την παραγόμενη ενέργεια από την ανεμογεννήτρια το πλεόνασμα ενέργειας που παράγει μαζί με την ενέργεια που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά αποθηκεύεται μέσω των μετατροπέων (ανορθωτή και αντιστροφέα) ισχύος και του ρυθμιστή φόρτισης στις μπαταρίες που διαθέτει το σύστημα. Αν η ζήτηση είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια που παράγει η ανεμογεννήτρια τότε το πλεόνασμα ενέργειας καλύπτεται από τα φωτοβολταϊκά μέσω του μετατροπέα ισχύος. Αν παρολαυτά το φορτίο δεν καλύπτεται ούτε από τα φωτοβολταϊκά, τότε εισέρχεται στο σύστημα και η ενέργεια των μπαταριών, εάν και εφόσον είναι φορτισμένες περισσότερο από το κατώτερο επιτρεπτό επίπεδο φόρτισης τους, πάλι μέσω του μετατροπέα ισχύος. Όσον αφορά την φόρτιση των μπαταριών σημειώνεται ότι και στις δύο περιπτώσεις όταν η χωρητικότητα των μπαταριών φτάσει στο ανώτερο ή στο κατώτερο επιτρεπτό επίπεδο φόρτισης το σύστημα ελέγχου σταματάει τη φόρτιση ή την αποφόρτιση των μπαταριών αντίστοιχα. 102

103 Εξομοίωση του WIND-PV υβριδικού συστήματος To διάγραμμα το όποιο χρησιμοποιήσαμε για την εξομοίωση φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Στα αποτελέσματα βελτιστοποίησης (optimization results), δηλαδή στις 35 ο γωνίας κλίσης ΦΒ, διαπιστώνουμε ότι: Χρειαστήκαμε 18kW ΦΒ ισχύος, 7 ανεμογεννήτριες ισχύος 1.8kW, 40 μπαταριές και 9 kw ισχύ αντιστροφέα. Τα αποτελέσματα της εξομοίωσης έδειξαν ότι το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ίση με 48,603kWh (οι 26,857 kwh προέρχονται από τα φωτοβολταϊκά και οι 21,746 kwh από τις ανεμογεννήτριες). Τα αποτελέσματα που σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το φορτίο που καλύπτεται από το σύστημα συνοψίζονται στους παρακάτω πίνακες: 103

104 Όπως παρατηρούμε από τους παραπάνω πίνακες το σύστημα καλύπτει πλήρως τις ενεργειακές ανάγκες του φορτίου μας.to σύστημα μας παράγει ηλεκτρική ενέργεια σε ποσοστό 45% από τις ανεμογεννήτριες και 55% από τα φωτοβολταϊκά. Μια τυπική ημέρα του Ιούλη το σύστημα έχει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του επόμενου γραφήματος. Στο γράφημα παρουσιάζονται το AC φορτίο, που πρέπει να καλυφτεί, η παραγόμενη ισχύς από τα φωτοβολταϊκά πάνελ, η παραγόμενη ισχύς από τις ανεμογεννήτριες καθώς και το επίπεδο στάθμης της μπαταρίας. Σύμφωνα με το σχήμα, η ισχύς που παράγεται από τις ανεμογεννήτριες δεν επαρκεί. Τις ώρες της ημέρας συνεισφέρουν τα φωτοβολταϊκά για την κάλυψη του φορτίου. Κατά την διάρκεια της νύχτας βλέπουμε πως χρειαζόμαστε την ενέργεια των μπαταριών για την εξυπηρέτηση του φορτίου. 104

105 Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του WIND-PV συστήματος Στους παρακάτω πίνακες παρουσιάζονται το συνολικό παρόν κόστος του συστήματος, ουσιαστικά το συνολικό κόστος του για 20 χρόνια λειτουργίας και το ετήσιο κόστος του συστήματος. Παρουσιάζεται το κόστος για το κάθε μέρος του συστήματος χωρισμένο στα βασικά οικονομικά χαρακτηριστικά του προγράμματος εξομοίωσης Homer (Capital, Replacement, Operating, Fuel, Salvage).To μεγαλύτερο ποσό του κόστους του συστήματος είναι για την προμήθεια και εγκατάσταση των μπαταριών. Παρατηρούμε επίσης ότι το κόστος λειτουργίας του συστήματος είναι ελάχιστο, ενώ εδώ δεν έχουμε δαπάνες για καύσιμα που ήταν πολύ υψηλές σε προηγούμενα συστήματα. 105

106 To τελικό κόστος παραγωγής μίας κιλοβατώρας συνολικά για τα 20 χρόνια του συστήματος ανέρχεται στα /KWh, το οποίο εξακολουθεί να είναι αρκετά υψηλό σε σύγκριση με την χρέωση της Δ.Ε.Η. που είναι 0.09 /KWh PV-Hydroqen υβριδικό Σύστημα Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος[31] To σύστημα αποτελείται από μία φωτοβολταϊκή συστοιχία η οποία τροφοδοτεί το φορτίο, τον ηλεκτρολύτη και τις μπαταρίες μέσω ενός μετατροπέα ισχύος. Έχει επίσης ηλεκτρολύτες για την δημιουργία υδρογόνου και δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου. Από μετατροπείς ισχύος και μια σειρά κυψέλες καυσίμου ΡΕΜ που τροφοδοτούν το φορτίο. 106

107 Η λειτουργία του υβριδικού συστήματος είναι η εξής: Κατά την διάρκεια της ημέρας έχουμε παραγωγή ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά. Όταν αύτη είναι μεγαλύτερη από τις ανάγκες του φορτίου, χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία των ηλεκτρολυτών και την φόρτιση των μπαταριών του συστήματος. Όταν οι ηλεκτρολύτες ενεργοποιούνται παράγουν υδρογόνο το οποίο μεταφέρεται στις δεξαμενές αποθήκευσης. Τέλος, όταν η ενέργεια παραγωγής των φωτοβολταϊκών δεν επαρκεί τότε ενεργοποιούνται οι κυψέλες καυσίμου για την κάλυψη του υπόλοιπου φορτίου, όπως και οι μπαταρίες Εξομοίωση του PV-Hydroqen υβριδικού συστήματος To διάγραμμα το όποιο χρησιμοποιήσαμε για την εξομοίωση φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Στα αποτελέσματα βελτιστοποίησης (optimization results), δηλαδή στις 35 ο γωνίας κλίσης ΦΒ, διαπιστώνουμε ότι: 107

108 Χρειαζόμαστε 20KW PV ισχύος, 10KW Fuel Cell ισχύος, ηλεκτρολύτες ισχύος 25KW, δεξαμενή υδρογόνου 250Kg, 20 μπαταρίες και 9kW ισχύ αντιστροφέα. Τα αποτελέσματα της εξομοίωσης έδειξαν ότι το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ίση με 32,335kWh (οι 29,841 kwh προέρχονται από τα φωτοβολταϊκά και οι 2,494kWh από το fuel cell). Τα αποτελέσματα που σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το φορτίο που καλύπτεται από το σύστημα συνοψίζονται στους παρακάτω πίνακες: Τα κελιά καυσίμου χρησιμοποιούνται για παραγωγή ενέργειας μόνο όταν έχουμε ανάγκη για ενέργεια,δηλαδή τους μήνες του καλοκαιριού που εξετάζουμε, ενώ τα ΦΒ πλαίσια παράγουν ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια του χρόνου. To 66% της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας την χρησιμοποιεί ο ηλεκτρολύτης για την παραγωγή υδρογόνου και το υπόλοιπο 34 % χρησιμοποιεί το ηλεκτρικό μας φορτίο Όπως παρατηρούμε από τους παραπάνω πίνακες, το σύστημα καλύπτει πλήρως της ενεργειακές ανάγκες του φορτίου μας.to σύστημα μας παράγει ηλεκτρική ενέργεια σε ποσοστό 89% από τα φωτοβολταϊκά και 11% από τα Fuel Cells. Μια τυπική ημέρα του Ιουλίου το σύστημα έχει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του παρακάτω σχεδιαγράμματος. Στο σχεδιάγραμμα παρουσιάζονται το AC φορτίο, που πρέπει να καλυφτεί, η παραγόμενη ισχύς από τα φωτοβολταϊκά πάνελ, η παραγόμενη ισχύς από τα Fuel Cells και το επίπεδο 108

109 φόρτισης των μπαταριών. Σύμφωνα με το σχεδιάγραμμα κατά τη διάρκεια της ημέρας ( ) έχουμε μεγάλη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά πάνελ, οι κυψέλες καυσίμου είναι ανενεργές και έχουμε φόρτιση των μπαταριών. Αντίθετα κατά τις νυχτερινές ώρες τα Fuel Cells είναι αυτά που καλύπτουν ανάγκες του φορτίου μαζί με την ενέργεια των μπαταριών Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του PV-Hydroqen υβριδικού συστήματος Στους παρακάτω πίνακες παρουσιάζονται το συνολικό παρόν κόστος του συστήματος, ουσιαστικά το συνολικό κόστος του συνολικά για 20 χρόνια λειτουργίας και το ετήσιο κόστος του συστήματος. Παρουσιάζεται το κόστος για το κάθε μέρος του συστήματος χωρισμένο στα βασικά οικονομικά χαρακτηριστικά του προγράμματος εξομοίωσης Homer (Capital, Replacement, Operating, Fuel, Salvage). To μεγαλύτερο ποσό του κόστους του συστήματος είναι για την προμήθεια και εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών πάνελ και των μέσων αποθήκευσης του υδρογόνου που παράγεται από το σύστημα. Παρατηρούμε επίσης ότι το κόστος λειτουργίας και αντικατάστασης του συστήματος είναι ελάχιστο, ενώ εδώ δεν έχουμε δαπάνες για καύσιμα που ήταν πολύ υψηλές σε προηγούμενα συστήματα. 109

110 110

111 To συνολικό παρόν κόστος του υβριδικού συστήματος είναι μεγαλύτερο από κάθε άλλο συνδυασμό και μας υποδεικνύει ότι μια τέτοια μονάδα δεν αποτελεί τη παρούσα στιγμή μια ρεαλιστική λύση για την ικανοποίηση του φορτίου μας. To τελικό κόστος παραγωγής μίας κιλοβατώρας συνολικά για τα 20 χρόνια του συστήματος ανέρχεται στα /KWh το οποίο είναι τεράστιο σε σύγκριση με την χρέωση της Δ.Ε.Η. που είναι 0.09 /KWh. 5.5 Εξομοίωση Αυτόνομου Υβριδικού Συστήματος Ελληνικών Ενεργειακές Απαιτήσεις Φορτίου[31] Όπως ήδη αναφέρθηκε το χωριό των Ελληνικών απαρτίζουν 30 μόνιμες κατοικίες. Οπότε χρειάζεται να καλύψουμε φορτίο όλη τη διάρκεια του έτους. Να σημειωθεί ότι οι απαιτήσεις του φορτίου αυτού είναι μεγαλύτερες από αυτές της Τουρλίδας. Η ετήσια μέση ημερήσια κατανάλωση ενέργειας είναι 177 kwh και η ετήσια μέγιστη τιμή ισχύος είναι τα 23kW. H κατανομή φορτίου μια τυπικής μέρας του Ιουλίου φαίνεται παρακάτω. 111

112 5.5.2 Ηλιακά Δεδομένα Περιοχής Οι μετρήσεις της ωριαίας ηλιακής ακτινοβολίας για την χρονική περίοδο ενός έτους προκειμένου να υπολογιστούν οι μηνιαίες μέσες τιμές του δείκτη αιθριότητας και της καθημερινής ακτινοβολίας εισήχθηκαν αυτόματα στο πρόγραμμα εξομοίωσης HOMER. Η περιοχή μας έχει το ακόλουθο γεωγραφικό πλάτος και μήκος: Η μέσες μηνιαίες τιμές του δείκτη αιθριότητας και της ημερήσιας ακτινοβολίας φαίνονται στους παρακάτω πίνακες: 112

113 5.5.3 Ταχύτητα Ανέμου[32] Τα στοιχεία για τη ταχύτητα του ανέμου τα λάβαμε από το site της NASA και παρουσιάζονται στους επόμενους πίνακες: 113

114 5.5.4 PV-diesel υβριδικό σύστημα Εξομοίωση του PV-Diesel συστήματος To διάγραμμα τo όποιο χρησιμοποιήσαμε για την εξομοίωση φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Στα αποτελέσματα βελτιστοποίησης (optimization results), δηλαδή στις 35 ο γωνίας κλίσης ΦΒ, διαπιστώνουμε ότι: Χρειαστήκαμε 50kW ΦΒ ισχύος, 18kW ισχύος γεννήτριας πετρελαίου, 120 μπαταριές και 18kW ισχύ αντιστροφέα. Τα αποτελέσματα της εξομοίωσης έδειξαν ότι το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ίση με 89,716kWh (οι 74,603kWh προέρχονται από τα φωτοβολταϊκά). Τα αποτελέσματα που σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το φορτίο που καλύπτεται από το σύστημα συνοψίζονται στους παρακάτω πίνακες: 114

115 Όπως παρατηρούμε από τους παραπάνω πίνακες το σύστημα καλύπτει πλήρως της ενεργειακές ανάγκες του φορτίου μας και με πολύ υψηλή αξιοπιστίαto σύστημα μας παράγει ηλεκτρική ενέργεια σε ποσοστό 83% από τα φωτοβολταϊκά και 17% από την γεννήτρια. Παρατηρούμε επίσης ότι έχουμε ένα σημαντικό πλεόνασμα παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας ίσο με 13.1% της μέσης ετήσιας συνολικής παραγόμενης ενέργειας, το οποίο είναι από την παραγόμενη ενέργεια των φωτοβολταϊκών. Στο παραπάνω γράφημα βλέπουμε τη μέση μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενεργείας και σε τι ποσοστό καλύπτεται αυτή από τα φωτοβολταϊκά και την γεννήτρια. Τους μήνες Μάιο, Ιούνιο, Ιούλιο, Αύγουστο, Σεπτέμβριο το φορτίο καλύπτεται σε συντριπτικό βαθμό από τα φωτοβολταϊκά λόγω της υψηλής ηλιακής ακτινοβολίας που έχουμε αυτούς τους μήνες. Από τον παρακάτω πίνακα βλέπουμε ότι η γεννήτρια λειτουργεί 903hr/yr. Μια τυπική ημέρα του Ιουλίου το σύστημα έχει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του παρακάτω γραφήματος. Στο γράφημα παρουσιάζονται το AC φορτίο, που πρέπει να καλυφτεί, η παραγόμενη ισχύς από τα φωτοβολταϊκά πάνελ και η παραγόμενη ισχύς από την γεννήτρια. Σύμφωνα με το γράφημα κατά τη διάρκεια της ημέρας ( ) έχουμε μεγάλη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά πάνελ, η γεννήτρια είναι ανενεργή και έχουμε φόρτιση των μπαταριών. Αντίθετα κατά τις νυχτερινές ώρες το φορτίο καλύπτεται από τις 115

116 μπαταρίες. Η γεννήτρια ενεργοποιείται για ένα διάστημα 3 ωρών ώστε να καλύψει τις ανάγκες του φορτίου μαζί με την ενέργεια των μπαταριών. Για μια τυπική μέρα του Ιανουαρίου παρατηρούμε αυξημένη παραγωγή της γεννήτριας σε σχέση με τα φωτοβολταϊκά πάνελ. Αυτό συμβαίνει γιατί τον Ιανουάριο έχω μικρή ηλιακή ακτινοβολία Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του PV-Diesel συστήματος Στους παρακάτω πίνακες παρουσιάζονται το συνολικό παρόν κόστος του συστήματος, ουσιαστικά το συνολικό κόστος για τα επόμενα 20 χρόνια λειτουργίας 116

117 και το ετήσιο κόστος του συστήματος. Παρουσιάζεται το κόστος για το κάθε μέρος του συστήματος χωρισμένο στα βασικά οικονομικά χαρακτηριστικά του προγράμματος εξομοίωσης Homer (Capital, Replacement, Operating, Fuel, Salvage). To μεγαλύτερο ποσό του κόστους του συστήματος είναι για την προμήθεια και εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών πάνελ. Παρατηρούμε επίσης ότι ενώ το κόστος εγκατάστασης της ντηζελογεννήτριας είναι μικρό, το κόστος των καυσίμων της συνολικά είναι τεράστιο επιβεβαιώνοντας το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας παραγωγής ενέργειας παρά την μικρή προσφορά ενέργειας της στο σύστημα όπως είδαμε πιο πάνω. To κόστος επιβαρύνεται σημαντικά και από τις μπαταρίες, οι οποίες δεν μπορούν να αποθηκεύσουν τα μεγάλα ποσά παραγόμενης ενέργειας. 117

118 To τελικό κόστος παραγωγής μίας κιλοβατώρας συνολικά για τα 20 χρόνια του συστήματος ανέρχεται στα / kwh, το οποίο είναι αρκετά υψηλό σε σύγκριση με την χρέωση της Δ.Ε.Η. που είναι 0.09 /kwh WIND-diesel υβριδικό σύστημα Εξομοίωση του WIND-diesel υβριδικού συστήματος To διάγραμμα τo όποιο χρησιμοποιήσαμε για την εξομοίωση φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 118

119 Στα αποτελέσματα βελτιστοποίησης (optimization results), με τιμή καυσίμου 1.5 /L διαπιστώνουμε ότι: Χρειαστήκαμε 40 ανεμογεννήτριες ισχύος 1.8kW, 12 kw ισχύος γεννήτριας πετρελαίου, 100 μπαταριές και 18 kw ισχύ αντιστροφέα. Τα αποτελέσματα της εξομοίωσης έδειξαν ότι το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ίση με 131,659kWh (οι 124,265kWh προέρχονται από τις ανεμογεννήτριες). Τα αποτελέσματα που σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το φορτίο που καλύπτεται από το σύστημα συνοψίζονται στους παρακάτω πίνακες. Η γεννήτρια πετρελαίου όπως φαίνεται παρακάτω καλύπτει το φορτίο κατά τους καλοκαιρινούς μήνες και σύμφωνα με τα αποτελέσματα της εξομοίωσης λειτουργεί 732 hr/yr και έχει κατανάλωση καυσίμου γύρω στα 2,551 L/yr. 119

120 Μια τυπική ημέρα του Ιουλίου το σύστημα έχει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του επόμενου σχήματος. Στο σχήμα παρουσιάζονται το AC φορτίο, που πρέπει να καλυφτεί, η παραγόμενη ισχύς από τις ανεμογεννήτριες, η παραγόμενη ισχύς από την γεννήτρια και το επίπεδο φόρτισης των μπαταριών. Σύμφωνα με το γράφημα κατά τη διάρκεια της ημέρας το φορτίο εξυπηρετείται από τις ανεμογεννήτριες και τις μπαταρίες. Η γεννήτρια είναι ενεργοποιημένη μόνο όταν η παραγόμενη ισχύς των ανεμογεννητριών και των μπαταριών δεν μας αρκεί Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του WIND-Diesel υβριδικού συστήματος Στους παρακάτω πίνακες παρουσιάζονται το συνολικό παρόν κόστος του συστήματος, ουσιαστικά το συνολικό κόστος του συνολικά για τα 20 χρόνια και το ετήσιο κόστος του συστήματος. Παρουσιάζεται το κόστος για το κάθε μέρος του συστήματος χωρισμένο στα βασικά οικονομικά χαρακτηριστικά του προγράμματος 120

121 εξομοίωσης Homer (Capital, Replacement, Operating, Fuel, Salvage). To μεγαλύτερο ποσό του κόστους κεφαλαίου του συστήματος είναι για την προμήθεια και εγκατάσταση των ανεμογεννητριών. Παρατηρούμε επίσης ότι το κόστος που αφορά την αγορά της ντηζελογεννήτριας είναι μικρό, ενώ το κόστος αυξάνεται και από τις μπαταρίες. 121

122 To τελικό κόστος παραγωγής μίας κιλοβατώρας συνολικά για τα 20 χρόνια του συστήματος ανέρχεται 0,375 /kwh, το οποίο είναι αρκετά υψηλό σε σύγκριση με την χρέωση της Δ.Ε.Η. που είναι 0.09 /kwh WIND-PV υβριδικό σύστημα Εξομοίωση του WIND-PV υβριδικού συστήματος To διάγραμμα το όποιο χρησιμοποιήσαμε για την εξομοίωση φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 122

123 Στα αποτελέσματα βελτιστοποίησης (optimization results), δηλαδή στις 35 ο γωνίας κλίσης ΦΒ, διαπιστώνουμε ότι: Χρειαστήκαμε 40kW ΦΒ ισχύος, 25 ανεμογεννήτριες ισχύος 1.8kW, 160 μπαταριές και 18 kw ισχύ αντιστροφέα. Τα αποτελέσματα της εξομοίωσης έδειξαν ότι το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ίση με 137,564kWh (οι 59,898 kwh προέρχονται από τα φωτοβολταϊκά και οι 77,666 kwh από τις ανεμογεννήτριες). Τα αποτελέσματα που σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το φορτίο που καλύπτεται από το σύστημα συνοψίζονται στους παρακάτω πίνακες: Όπως παρατηρούμε από τους παραπάνω πίνακες το σύστημα καλύπτει πλήρως τις ενεργειακές ανάγκες του φορτίου μας.to σύστημα μας παράγει ηλεκτρική ενέργεια σε ποσοστό 56% από τις ανεμογεννήτριες και 44% από τα φωτοβολταϊκά. Μια τυπική ημέρα του Ιούλη το σύστημα έχει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του επόμενου γραφήματος. Στο γράφημα παρουσιάζονται το AC φορτίο, που πρέπει να καλυφτεί, η παραγόμενη ισχύς από τα φωτοβολταϊκά πάνελ, η παραγόμενη ισχύς από τις ανεμογεννήτριες καθώς και η πλεονάζουσα ενέργεια. Σύμφωνα με το σχήμα, η ισχύς που παράγεται από τις ανεμογεννήτριες δεν επαρκεί. Τις ώρες

124 16.00 της ημέρας συνεισφέρουν τα φωτοβολταϊκά για την κάλυψη του φορτίου. Κατά την διάρκεια της νύχτας βλέπουμε πως χρειαζόμαστε την ενέργεια των μπαταριών για την εξυπηρέτηση του φορτίου. Μια τυπική ημέρα του Ιανουαρίου το σύστημα έχει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του επόμενου σχήματος. Ο Ιανουάριος είναι ένας μήνας με υψηλό αιολικό δυναμικό και χαμηλό ηλιακό. Σύμφωνα με το σχήμα, η ισχύς που παράγεται από τις ανεμογεννήτριες είναι πολύ μεγάλη και καλύπτει εξολοκλήρου τις απαιτήσεις του φορτίου εκτός από κάποιες ώρες της ημέρας όπου χρειαζόμαστε την συνεισφορά της ενέργειας που είναι αποθηκευμένη στις μπαταρίες του συστήματος. 124

125 Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του WIND-PV συστήματος Στους παρακάτω πίνακες παρουσιάζονται το συνολικό παρόν κόστος του συστήματος, ουσιαστικά το συνολικό κόστος του για 20 χρόνια λειτουργίας και το ετήσιο κόστος του συστήματος. Παρουσιάζεται το κόστος για το κάθε μέρος του συστήματος χωρισμένο στα βασικά οικονομικά χαρακτηριστικά του προγράμματος εξομοίωσης Homer (Capital, Replacement, Operating, Fuel, Salvage). To μεγαλύτερο ποσό του κόστους του συστήματος είναι για την προμήθεια και εγκατάσταση των μπαταριών. Παρατηρούμε επίσης ότι το κόστος λειτουργίας του συστήματος είναι ελάχιστο, ενώ εδώ δεν έχουμε δαπάνες για καύσιμα που ήταν πολύ υψηλές σε προηγούμενα συστήματα. 125

126 To τελικό κόστος παραγωγής μίας κιλοβατώρας συνολικά για τα 20 χρόνια του συστήματος ανέρχεται στα /KWh, το οποίο εξακολουθεί να είναι αρκετά υψηλό σε σύγκριση με την χρέωση της Δ.Ε.Η. που είναι 0.09 /KWh PV-Hydroqen υβριδικό Σύστημα Εξομοίωση του PV-Hydroqen υβριδικού συστήματος To διάγραμμα το όποιο χρησιμοποιήσαμε για την εξομοίωση φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 126

127 Στα αποτελέσματα βελτιστοποίησης (optimization results), δηλαδή στις 35 ο γωνίας κλίσης ΦΒ, διαπιστώνουμε ότι: Χρειαζόμαστε 250KW PV ισχύος, 6KW Fuel Cell ισχύος, ηλεκτρολύτες ισχύος 24KW, δεξαμενή υδρογόνου 600Kg, 70 μπαταρίες και 22.5kW ισχύ αντιστροφέα. Τα αποτελέσματα της εξομοίωσης έδειξαν ότι το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ίση με 400,878kWh (οι 374,336kWh προέρχονται από τα φωτοβολταϊκά και οι 26,542kWh από το fuel cell). Τα αποτελέσματα που σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το φορτίο που καλύπτεται από το σύστημα συνοψίζονται στους παρακάτω πίνακες: Τα κελιά καυσίμου χρησιμοποιούνται για παραγωγή ενέργειας μόνο όταν έχουμε ανάγκη για ενώ τα ΦΒ πλαίσια παράγουν ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια του χρόνου. To 55% της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας την χρησιμοποιεί ο ηλεκτρολύτης για την παραγωγή υδρογόνου και το υπόλοιπο 45% χρησιμοποιεί το 127

128 ηλεκτρικό μας φορτίο. Όπως παρατηρούμε από τους παραπάνω πίνακες, το σύστημα καλύπτει πλήρως της ενεργειακές ανάγκες του φορτίου μας.to σύστημα μας παράγει ηλεκτρική ενέργεια σε ποσοστό 93% από τα φωτοβολταϊκά και 7% από τα Fuel Cells. Μια τυπική ημέρα του Ιουλίου το σύστημα έχει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του παρακάτω σχεδιαγράμματος. Στο σχεδιάγραμμα παρουσιάζονται το AC φορτίο, που πρέπει να καλυφτεί, η παραγόμενη ισχύς από τα φωτοβολταϊκά πάνελ, η παραγόμενη ισχύς από τα Fuel Cells και το επίπεδο φόρτισης των μπαταριών. Σύμφωνα με το σχεδιάγραμμα κατά τη διάρκεια της ημέρας (6-19) έχουμε μεγάλη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά πάνελ, οι κυψέλες καυσίμου είναι ανενεργές και έχουμε φόρτιση των μπαταριών. Αντίθετα κατά τις νυχτερινές ώρες τα Fuel Cells ενεργοποιούνται και καλύπτουν ανάγκες του φορτίου μαζί με την ενέργεια των μπαταριών Οικονομικά χαρακτηριστικά της εξομοίωσης του PV-Hydroqen υβριδικού συστήματος Στους παρακάτω πίνακες παρουσιάζονται το συνολικό παρόν κόστος του συστήματος, ουσιαστικά το συνολικό κόστος του συνολικά για 20 χρόνια λειτουργίας 128

129 και το ετήσιο κόστος του συστήματος. To μεγαλύτερο ποσό του κόστους του συστήματος είναι για την προμήθεια και εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών πάνελ και των μέσων αποθήκευσης του υδρογόνου που παράγεται από το σύστημα. Παρατηρούμε επίσης ότι το κόστος λειτουργίας και αντικατάστασης του συστήματος είναι ελάχιστο, ενώ εδώ δεν έχουμε δαπάνες για καύσιμα που ήταν πολύ υψηλές σε προηγούμενα συστήματα. 129

130 To συνολικό παρόν κόστος του υβριδικού συστήματος είναι αστρονομικό συγκρινόμενο με τους άλλους συνδυασμούς υβριδικών συστημάτων και μας υποδεικνύει ότι τη δεδομένη στιγμή μια τέτοια μονάδα δεν αποτελεί ρεαλιστική λύση για την ικανοποίηση του φορτίου μας. To τελικό κόστος παραγωγής μίας κιλοβατώρας συνολικά για τα 20 χρόνια του συστήματος ανέρχεται στα /KWh το οποίο είναι τεράστιο σε σύγκριση με την χρέωση της Δ.Ε.Η. που είναι 0.09 /KWh. 130