Vodík a alternativní zdroje energie Inženýrské znalosti z první ruky
Ať už jde o výrobu vodíku, vodíkové čerpací stanice nebo systémy palivových článků pro mobilní a průmyslové využití, HYDAC je na vaší straně jako odborník na alternativní zdroje energie. Za tímto účelem vám nabízíme produktový sortiment, který uspokojí rostoucí požadavky trhu. Vzhledem k více než 60 rokům zkušeností v odvětví jsme ideálně vybaveni, abychom vám pomohli s nejrůznějšími typy využití vodíku a palivových článků.
Vodík – technologie s velkým potenciálemPokud jde o problematiku vodíku, jsou velmi požadované odborné poznatky
Čeká nás ještě dlouhá cesta, než budou zodpovězeny všechny otázky na téma vodíku. To proto, že výroba, dodávky a využití vodíku stále kladou před společnosti výzvy. Jedna věc je však jistá: vodík a alternativní zdroje energie v mobilních a průmyslových řešeních mají obrovský potenciál. Potenciál z hlediska ekologické a bezemisní budoucnosti v domácnostech, průmyslu a dopravě.
Ale problematika vodíku je stále složitější. Proto se vyplatí mít po svém boku odborníka, který nabízí inovativní přístupy k řešením a současně klade na stůl osvědčené výrobky a desetiletí průmyslového know-how. Ať už se jedná o nový vývoj nebo sériovou výrobu, HYDAC vám pomůže s úspěšnou realizací vašeho projektu. Povězte nám o svých požadavcích.
Co naši zákazníci říkají o spolupráci s námi – podívejte se na video hned teď
Elektrolýza a výroba vodíku
Vodík patří k neslibnějším zdrojům alternativní energie jako náhrada fosilních paliv v průmyslu a infrastruktuře na cestě k uhlíkově neutrální budoucnosti. K výrobě vodíku slouží různé procesy. Nejudržitelnější metodou je elektrolýza vody pomocí energie z obnovitelných zdrojů. Při tomto procesu se pomocí elektrické energie dvě molekuly vody (2H2O) štěpí na dvě molekuly vodíku (2H2) a molekulu kyslíku (O2).
Bez ohledu na použitou technologii (AEL, AEM, PEM, SOEC) jsme schopni podpořit vaši výrobu vodíku naším neustále se rozrůstajícím produktovým sortimentem. Již nyní nabízíme širokou škálu výrobků, které zvýší účinnost, hospodárnost a bezpečnost vašeho elektrolyzéru.
Náš sortiment výrobků
Tepelné řízení kapalin
Spolehněte se na naše řešení v oblasti pomocných systémů (BoP) pro sofistikované tepelné řízení kapalin. Náš produktový sortiment zahrnuje vzduchové chladicí systémy, např. pro kapalinové toky (demineralizovaná voda, vodný KOH) přes kompresorové chladicí systémy pro vysoušení kondenzace (plynové chladiče) až po filtraci částic z plynů a kapalin. Jsme vaším kontaktem v oboru separace aerosolu, manipulace s kapalinami a komprese plynů. Nabízíme také širokou škálu výrobků pro pomocné systémy vašeho elektrolyzéru včetně vybraných ventilů a senzorů (tlak, teplota, vodivost, hladinové snímače, hladinové spínače).
Vysoušení vodíku/plynu
Některé aplikace vyžadují vodík s vysokou čistotou. Ale surový plynný vodík je po výrobě často kontaminován nečistotami z vody a kyslíku. DIN EN 17124 uvádí, že tyto nečistoty musí být menší než 5 ppm. S naším inovativním vysoušením vodíku můžeme v případě potřeby dosáhnout vyšších kvalit vodíku, než vyžaduje norma.
Optimalizace separátoru / separace fází
Výroba vodíku zahrnuje řadu výzev – a totéž platí pro separaci kapalin z plynu. Tradiční nádrže separátorů jsou velké a nenabízejí žádnou aktivní separaci směsi. Díky řešení od společnosti HYDAC lze nádrže separátorů snížit na minimum a efektivnost celého systému se maximalizuje pomocí aktivní odplyňovací jednotky. Rádi také ověříme u vašich separátorů potenciál pro optimalizaci instalačního prostoru – kontaktujte nás!
Hydraulické upnutí svazku
Závitové tyče nebo hydraulické válce? Řada výrobců elektrolyzérů se spoléhá při upínání svazků na závitové tyče nebo talířové pružiny. Hydraulické upnutí svazku na rozdíl od těchto metod umožňuje optimální homogenní rozložení sil na svazek během provozu. Tím se zabrání netěsnostem mezi bipolárními deskami, zjednoduší se údržba a zvýší životnost. Pomůžeme vám aktivním předepnutím svazku při provozu svazku a statickým upnutím svazku během jeho montáže.
Vodíková čerpací stanice
Pokud se vodík používá jako alternativní zdroj energie, naplňuje sen o bezemisní jízdě. Kromě výroby energie pro pohon vozidel s palivovými články vzniká při reakci mezi vodíkem a kyslíkem pouze vodní pára. Neškodná pro člověka i životní prostředí.
Význam této technologie celosvětově roste a vede k soustavnému rozšiřování infrastruktury vodíkových čerpacích stanic. Soustavný rozvoj technologie plnění vodíkem z hlediska dostupnosti, energetické účinnosti a nákladů hraje důležitou roli. Společnost HYDAC je schopna vám již nyní pomoci celou řadou výrobků – ale nezapomínáme ani na další vývoj a inovace. Kontaktujte nás, prosím.
Náš sortiment výrobků
Znečištění částicemi, kvalita vodíku a čistota plynu
Ať už se jedná o znečištění částicemi nebo škodlivé plyny, na vodík jsou kladeny vysoké požadavky z hlediska čistoty. Znečištění částicemi může vést k poruše systému uvnitř vodíkové čerpací stanice i ve vozidlech s palivovými články. Jako dlouholetý odborník na technickou čistotu jsme vyvinuli PSA-H70, produkt pro odběry vzorků z čerpacích stanic a hodnocení úrovně znečištění částicemi. Výsledek: již teď jsme schopni vám nabídnout kompletní sortiment pro filtraci plynu pro čerpací stanice od nízkých tlaků po vysoké (až do 1050 barů) – vhodný pro separaci částic i kapalin.
Škodlivé plyny mohou vést k závadám v bateriích palivových článků (známým jako katalyzátorové jedy). Celosvětově jedinečný: HYDAC v současnosti pracuje na senzoru kvality plynu, který soustavně měří složení plynu ve skladovacích zásobnících na čerpacích stanicích.
Chlazení vodíku
Pro chlazení kompresorových systémů dodáváme efektivní chladicí systémy a výměníky tepla uzpůsobené vašim požadavkům. Vyrábíme zakázková řešení pro chlazení stlačeného plynu ve vodíkových čerpacích stanicích. Ať už se jedná o střešní konstrukci, tvar V nebo přímou integraci do nádrže – využijte naše odborné poznatky při optimalizaci chlazení své čerpací stanice.
Díky soustavnému rozšiřování našeho produktového sortimentu vám budeme již brzy schopni nabídnout produkty pro kryogenní předchlazení pro procesy u nádrží v souladu s SAE J2601. Tím se uzavře náš komplexní balíček pro chlazení vodíku.
Senzory / převodníky tlaku
Proces plnění ve vodíkových čerpacích stanicích je řízený tlakem. To znamená, že jsou vyžadovány spolehlivé a bezpečné senzory. HYDAC dodává komplexní sortiment vodíkových senzorů pro vaše aplikace od nízkých tlaků po vysoké (16–1050 barů). Naše senzory byly speciálně vyvinuty pro použití s vodíkem – speciální měřicí články vyrobené z nerezové oceli s vysokým obsahem niklu chrání před vodíkovým křehnutím.
Novinkou v našem sortimentu je náš senzor s certifikací SIL 2, který lze použít mimo jiné v dávkovačích („čerpadlech“). Zjistěte si více o výhodách našeho nového řešení při osobní konzultaci.
Technologie pohonů pro kompresory (kompresorové systémy)
Cílem mnoha provozovatelů vodíkových kompresorů je bezporuchový, energeticky účinný provoz, který šetří zdroje. Díky inovativním hydraulickým pohonným jednotkám od HYDAC je to možné. Zkontrolujeme, zda jsou pro vaše využití vhodné tradiční systémy nebo systémy s proměnnými otáčkami a který systém vám nabízí největší potenciál z hlediska úspor. Abychom zvýšili dostupnost systémů, jsme schopni vybavit vaše systémy nepřetržitým monitorováním stavu hydraulických kapalin. Kromě vzdáleného přístupu lze analýzy oleje provádět také v centru péče o kapaliny HYDAC.
Systémy palivových článků a H₂ motory v mobilních a průmyslových řešeních
Jako technologie budoucnosti mají palivové články velký potenciál v mobilních a průmyslových řešeních. Vodíkové pohony už nejsou pouze zbožným přáním. Jsou skutečností. Vývoj vozidel s nulovými emisemi v soukromé dopravě, těžké dopravě, u stavebních strojů, zemědělských strojů, lodí a jako nouzový zdroj energie se také ubírá vpřed. K tomu, aby systémy palivových článků fungovaly bezpečným a energeticky účinným způsobem, je zapotřebí sofistikovaná technologie. Díky dlouholetým zkušenostem v odvětví a vysoké úrovni inovace jsme již nyní schopni vám nabídnout široké produktové portfolio, které soustavně rozšiřujeme.
Náš sortiment výrobků
Senzory a ventilová technika
Palivové články ve spojení se systémy vysokotlakých nádrží jsou provozovány s vysokými průtoky a kolísáním teplot. Společnost HYDAC vyvinula širokou škálu ventilové techniky pro bezpečnou a přesnou regulaci toků materiálů ve vysokotlaké oblasti vodíkových nádrží a nízkotlaké oblasti palivových článků. Naše vysokotlaké senzory také už déle než desetiletí pomáhají detekovat tlaky a bezpečně provozovat systémy. Přesvědčte se sami.
Kvalita vzduchu a kvalita vodíku
Palivové články reagují kriticky na malé částice a škodlivé plyny, které vstupují do systému palivového článku během výroby nebo vstupují do baterie palivového článku během provozu. Na ochranu palivového článku před těmito faktory a pro zvýšení životnosti je v systému palivového článku vyžadována široká škála filtrů. Abyste chránili vzduchovou stranu a vodíkovou stranu před tímto znečištěním, máte k dispozici širokou škálu filtračních technologií a separačních technologií.
Řízení teploty
Na rozdíl od mobilních a průmyslových aplikací u spalovacích motorů se v systémech palivových článků žádná část tepelné energie nerozptýlí pomocí průtoku výfukových plynů. Většina se rozptýlí v chladicí vodě. To má v aplikacích s palivovými články za následek vyšší nároky na chladicí výkon. Složitost systému chlazení a řízení teploty se zvýšuje v důsledku řady dalších elektrických spotřebičů, jako jsou elektromotory, měniče nebo dokonce bateriové systémy. Společnost HYDAC vám pomocí inovativních řešení pomáhá při vývoji a integraci složitých systémů chlazení a řízení teploty.
Technologie řízení
Aby bylo možné provozovat systémy palivových článků a systémy nádrží funkčně bezpečným způsobem, je zapotřebí plně porozumět tokům proudu, materiálu a informací. S tímto porozuměním a naší schopnosti vyvíjet komplexní softwarové systémy jsme ve společnosti HYDAC schopni nabízet zakázkovou řídicí architekturu. Abychom usnadnili integraci elektrických systémů, využíváme také naše vlastní vysoce výkonné ovladače a funkčně bezpečné softwarové architektury i řadu let testované funkční moduly HYDAC.
Časté dotazy
Co je to elektrolyzér a jak funguje?
Elektrolyzér je obecně zařízení pro odlučování, štěpení a transformaci materiálu nebo molekuly (reduxně-oxidační reakce) pomocí elektrické energie. Ve vodním elektrolyzéru se molekuly vody (H2O) mění na molekuly vodíku (H2) a molekuly kyslíku (O2).
Vlastní reakce probíhá v elektrochemických článcích při napětí cca 1,4 V. Z praktických důvodů se řada těchto článků (elektricky sériově zapojených) sestavuje do svazků. Všechna periferní zařízení kolem elektromechanických článků se označují termínem „pomocné systémy“.
Co se myslí pomocnými systémy?
Pomocné systémy (BoP) je výraz, který se obecně používá ve spojení s energetickou technologií. Označuje všechny pomocné součásti a systémy vyžadované pro přeměnu energie – s výjimkou vlastní generační jednotky nebo transformační jednotky.
U elektrolyzérů sem patří řízení energie (transformátory, měniče, regulátory výkonu atd.), řízení kapalin a plynů (úprava vody, separace kapalinové a plynné fáze, vysoušení plynu, komprese plynu) a řízení teploty (chladicí systémy pro silovou elektroniku, svazek a kondenzační sušení).
Co je to palivový článek a jak funguje?
Palivový článek tvoří dvě elektrody – anoda (strana vodíku) a katoda (strana vzduchu). Obě elektrody jsou oddělené elektrolytem. V palivovém článku PEM je to polopropustná membrána, která je propustná pouze pro protony.
Vodík se přivádí na anodu. Poté se pomocí katalyzátoru (obvykle platiny) štěpí na protony a elektrony. Protony poté migrují přes membránu na katodu. Elektrony proudí do katody přes elektrický spotřebič a dodává se elektrická energie. Na katodě se protony a elektrony mísí s kyslíkem z okolního vzduchu a vzniká voda.
Co znamená výraz „elektrochemický článek“?
Výraz „elektrochemický článek“ je zastřešující výraz pro různé typy článků, jako jsou elektrolytické články, akumulátorové články, bateriové články nebo galvanické články. Tyto typy článků mohou být někdy reverzibilní, jako např. akumulátorové články. Ty lze nabíjet a vybíjet – to znamená, že mohou měnit elektrickou energie na chemickou a znovu ji uvolňovat jako elektrickou energii. Kromě toho mohou některé typy elektrolytických článků fungovat jako palivové články. To znamená, že při přeměně vodíku a kyslíku na vodu se uvolňuje elektrická energie a teplo.
Elektrolytické články a palivové články jsou tvořeny bipolárními deskami, elektrodami a v závislosti na technologii plynovými difuzními vrstvami (GDL) a membránami. Pokud se používají „protonvýměnné/anionvýměnné membrány“ (PEM/AEM), připojují se často k elektrodám a označují se jako „sestava membrány a elektrod“ (MEA).
Co se myslí výrazem „sestava membrány a elektrod“ (MEA)?
Sestava membrány a elektrod (MEA) se dá vyložit více než jedním způsobem. V některých případech se tím myslí pouze membrány s nanesenými vrstvami katalyzátoru (na jedné straně pro katodovou reakci, na druhé straně pro anodovou reakci). Často je však použita jedna nebo více plynových difuzních vrstev, protože ty musí být také elektricky vodivé.
V závislosti na technologii tvoří membránu různé polymery nebo keramické materiály, z nichž každý může selektivně přenášet protony, anionty (např. hydroxidové anionty = OH) nebo kyslík. Plynové difuzní vrstvy slouží k co nejhomogeničtějšímu přenosu plynů vyrobených (elektrolýza) a zejména plynů použitých (palivové články) od míst reakce (katalytických vrstev) nebo směrem k nim. Tyto plyny jsou odváděny z elektrochemických článků nebo do nich přes kanály v bipolárních deskách.
Čím je tvořena bipolární deska?
Bipolární desky, které jsou instalovány ve vícečlánkové nebo svazkové konfiguraci, jsou odpovědné především za fyzické a elektrické spojení anody z jedné buňky s katodou sousední buňky. Bipolární desky v palivových článcích jsou rovněž zodpovědné za vedení reakčních plynů do reakční zóny. Za tímto účelem jsou do desek na obou stranách vyfrézovány nebo vylisovány průtokové profily (průtokové profily), přes které proudí na jednu stranu vodík a na druhou se přivádí vzduch.
Bipolární desku tvoří dva póly jednoho palivového článku: anodová deska nesoucí vodík (záporný (-) pól) a katodová deska (kladný (+) pól) pro přívod reakčního vzduchu. Desky také regulují odvod vodní páry a výstup tepelné a elektrické energie. V elektrolytických článcích slouží především k chlazení elektrolyzéru, přívodu reakčních plynů na anodovou stranu a odvodu vodíku a plynů vytvořených při reakci.
Co je to „svazek“?
V elektrolýze a technologii palivových článků se svazkem myslí svazek sériově zapojených elektrochemických článků včetně krytu / rámu / upínacích prvků. Sériové zapojení umožňuje zvýšit napájecí napětí a snížit proud při stejné spotřebě energie podle P=U*I. Kromě toho také sériové zapojení ve svazku zjednodušuje celkovou konstrukci systému.
Co je systém tlakové nádrže?
Plynný vodík lze po stlačení pod vysokým tlakem skladovat v nádrži. Při přepravě byla například stanovena úroveň tlaku 350 barů pro komerční vozidla a 700 barů pro osobní vozy. Při 700 barech je hustota cca 40 kg/m³ (24 kg/m³ při 350 barech). Vysokotlaké akumulátory nabízejí nízkonákladové řešení pro malá skladovaná množství, a proto se používají převážně v mobilních aplikacích, jako jsou osobní automobily a komerční vozidla.
V současnosti jsou na trhu čtyři různé typy tlakových nádob:
- Typ 1: Tlakovou nádobu tvoří pouze kovová (obvykle ocelová) stěna. Jmenovité tlaky se pohybují kolem 200 barů.
- Typ 2: Kromě kovové stěny mají tlakové nádoby plášť vyrobený ze skelného nebo uhlíkového vlákna impregnovaného pryskyřicí se jmenovitým tlakem až 1000 barů.
- Typ 3: Nádrže mají vložku vyrobenou z kovu (obvykle hliníku) a kolem celé nádrže plášť vyrobený z uhlíkatého vlákna. Jmenovité tlaky jsou zpravidla 350 nebo 700 barů.
- Typ 4: Akumulátory mají vložku vyrobenou z plastu (zpravidla polyamidu nebo polyetylenu) a plášť je obvykle vyrobený z uhlíkatého vlákna podobně jako u nádob typu 3. Jmenovité tlaky jsou obvykle 350, 500 nebo 700 barů.
Jaké jsou výhody a nevýhody kapalného vodíku?
V porovnání se skladováním plynného vodíku nabízí kapalný vodík jako palivo výhody z hlediska hustoty energie (71 kg/m³). Také lze udržovat nízký tlak v nádrži. To má kladný vliv na systém nádrže z hlediska hmotnosti skladovací nádrže a prostorových požadavků, nákladů (zejména u velkých skladovaných objemů) a bezpečnosti.
Výrobní náklady u kryogenního vodíku (-253 °C) však nejsou zanedbatelné. Vodík se zahřívá, pokud není trvale chlazen. To vede ke zvýšení tlaku v nádrži. To může mít za následek ztráty v důsledku odpařování. Jinými slovy, plynný vodík se odvětrává do prostředí.
Jaké typy vodíkových motorů existují?
Vodíkový motor je plynový motor, který pracuje s plynným vodíkem místo kapalného paliva (jako je diesel nebo benzin). Existují čistě vodíkové motory, které jsou poháněné čistým vodíkem. Existují také dvoupalivové vodíkové motory, které jsou poháněny směsí vodíku a jiných plynů (jako je metan a zemní plyn).
Vodíkový motor je považován za alternativu k palivovému článku, protože stávající spalovací motory lze přeměnit předělat s relativně malým technickým úsilím. Avšak studie ukazují, že nákladová výhoda se bude s přibýváním palivových článků značně snižovat. Kromě toho se vodíkové motory potýkají s nižší účinnosti, vyššími požadavky na údržbu a nálepkou, že nejsou 100% uhlíkově neutrální.
Jak funguje elektrické vozidlo s palivovými články (FCEV)?
„Elektrická vozidla s palivovými články“ (FCEV) jsou výlučně poháněna elektromotorem stejně jako „bateriová elektrická vozidla“ (BEV).
Na rozdíl od BEV není požadovaná elektrická energie dodávána velkou hnací baterií (známou jako trakční baterie). Místo toho se zpřístupňuje přeměnou chemické energie z alternativního energetického zdroje na elektrickou energii – což umožňuje palivový článek.
V současnosti nejsou palivové články ještě navrženy pro takové rychlé a dlouhodobé změny zátěže jako spalovací motory. Z toho důvodu se instaluje také (malá) hnací baterie, která se napájí, když je zátěž nízká, a při vysoké zátěži dodává dodatečnou energii. Díky tomu lze palivový článek při řízení FCEV používat při relativně nízké konstantní zátěži.
Jak účinné jsou elektrárny s palivovými články?
Elektrárny s palivovými články (FCPP), elektrárny pro kombinovanou výrobu tepla a energie (CHP) a elektrárny s palivovými články pro kombinovanou výrobu tepla a energie (FC-CHPPP) udivují svým vysokým celkovým stupněm účinnosti. V závislosti na použité technologii palivových článků je elektrická účinnost v současnosti kolem 30–60 %. Celková účinnost může být vyšší než 95 %, protože elektřina a teplo se generují přímo z elektrochemické reakce bez dalších kroků přeměny.
Elektrárny s palivovými články byly dosud vyvíjeny převážně v energetickém rozmezí 10 kW až 3 MW. V posledních letech však vývoj v dolním energetickém rozsahu stále více směřuje k elektrárnám s palivovými články pro kombinovanou výrobu tepla a energie s elektrickým výkonem 0,3 – 1,5 kW a tepelným výkonem 0,6 – 2,0 kW pro rodinné a řadové domy. V horním energetickém rozsahu byly již vytvořeny elektrárny s výkonem kolem 80 MW, a ten se bude v následujících letech dále zvyšovat pomocí modulárních konstrukcí.
Co znamená „Power-to-X“?
Power-to-X (někdy také PtX nebo P2X) označuje využití přebytků elektřiny z různých obnovitelných zdrojů energie na pomoc nejrůznějším technologiím. Tyto přebytky mohou být například uloženy přímo do baterií (power-to-power), přeměněny na teplo (power-to-heat) nebo využity k tvorbě zdrojů chemické energie (power-to-gas, power-to-liquid).
Pokud se přebytky elektřiny využívají k výrobě zdrojů chemické energie, často se provádí další diferenciace (např. power-to-hydrogen, power-to-syngas, power-to-ammonia, power-to-fuel).
Proč hraje amoniak důležitou roli ve vodíkovém hospodářství?
Amoniak (NH3) je chemická sloučenina dusíku a vodíku, která se za normálních podmínek vyskytuje v plynné formě. Od chvíle, kdy Justus Liebig vyvinul dusíkatá hnojiva (kolem roku 1840), se amoniak stal jednou z nejdůležitějších základních chemikálií. Ale teprve když společnost BASF použila kolem roku 1913 v Ludwigshafenu v průmyslovém měřítku Haber-Boschův proces, byl možný výrazný nárůst roční výroby. Dnes patří amoniak k nejvyráběnějším chemikáliím (146,5 milionů tun v roce 2021, z toho 80 % na hnojivo) a tvoří základ pro výrobu všech dalších sloučenin dusíku.
Vzhledem k rozvíjejícímu se udržitelnému vodíkovému hospodářství lze očekávat další nárůst v roční výrobě amoniaku. Důvod: je vhodnější pro přepravu a skladování než čistý vodík.
Vzhledem k poměrně vysokému bodu varu -33 °C je zkapalňování amoniaku mnohem snazší a levnější než u vodíku (bod varu -252 °C). Vysoký význam má také vyšší volumetrická energetická hodnota amoniaku v porování s vodíkem (3,2 kWh/l v porovnání s 2,8 kWh/l), zvlášť z hlediska dopravní logistiky.