Gorivne celice: Ogrevanje prihodnosti

Tehnologija gorivnih celic ni nova, teoretične osnove so znane že več kot sto petdeset let, a v preteklosti zaradi gospodarske odvis­nosti od nafte in delovanja naftnih lobijev uporaba gorivnih celic pri ogrevanju ni bila »aktualna«. Stvari so se začele spreminjati šele v zadnjih letih, ko cene fosilnih goriv vztrajno rastejo in se povečuje povpraševanje po novih, do okolja prijaznejših inovativnih načinih ogrevanja. Ogrevalni sistemi na gorivne celice so našli pot do uporabnikov, njihovo delovanje v eno- in dvostanovanjskih hišah sistematično spremljajo in analizirajo v okviru evropskega projekta ene.field, nekateri proizvajalci pa so že začeli serijsko proizvodnjo teh naprav. Tehnologija je torej v vzponu in je na najboljši poti, da postane eden najpomembnejših načinov pridobivanja energije v prihodnosti, tržno pa bo, pričakujejo strokovnjaki, dozorela v prihodnjih letih.

Kako sistem deluje?

Kot že rečeno, je delovanje ogrevalnega sistema na gorivne celice podobno delovanju naprave za soproizvodnjo toplotne in električne energije, le da pretvorba energije pri soproizvodnji poteka na mehanski način, pri gorivnih celicah pa na elektrokemijski način. Kaj to pomeni? Pojdimo po vrsti.

Ogrevanje z gorivnimi celicami omogoča kemijska reakcija med vodikom in kisikom, ki poteka v obratni smeri kot elektroliza vode, rezultat te reakcije pa so toplotna in električna energija ter voda. Pri običajni elektrolizi z uporabo električne energije pridobivamo kisik in vodik, pri »obrnjeni« pa iz kisika in vodika pridobivamo vodo. Toplota, ki se sprosti ob reakciji vodika in kisika, se lahko uporabi v sistemih za ogrevanje in pripravo sanitarne vode.

»Zgradba gorivne celice je zelo podobna bateriji. Sestavljata jo dve elektrodi – anoda (negativni pol) in katoda (pozitivni pol). Med njima je prevodna snov – elektrolit. Pri gorivni celici elektrodi, ki sta preplasteni s katalizatorjem (iz platine), ločuje elektrolit s trdno membrano, ki prepušča ione. Ko se na anodo dovaja vodik, se ta loči na protone, ki gredo skozi membrano, in elektrone, ki potujejo po vodniku na drugo stran membrane. Zunanji tokokrog izkorišča proste elektrone v obliki koristnega električnega toka, protoni pa skozi elek­trolit prehajajo h katodi,« delovanje gorivne celice v ogrevalnih sistemih pojasnjujejo pri Viessmannu, ki je prvi začel serijsko proizvodnjo ogrevalne naprave na gorivne celice. Kisik iz zraka se na katodi veže z elektroni iz zunan­jega tokokroga in protoni, pri tem nastajajo molekule vode in se sprošča toplota. Med elektrodama se lahko ustvari napetost; če ju povežemo med seboj, prehajajo elektroni z anode na katodo in tako ustvarjajo pogonsko energijo. Reakcijsko toploto je mogoče dodatno izkoristiti za ogrevanje.

Na trgu je veliko različnih tipov gorivnih celic, odvisno od uporabljenih elektrolitov in goriva oziroma energenta. V sistemih za ogrevanje za eno- in dvostanovanjske stavbe, ki jih je bilo mogoče videti na nedavnem sejmu ISH v Frankfurtu, je to zemeljski plin, vsi pa uporabljajo nizkotemperaturno gorivno celico s protonsko izmenjevalno membrano (PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell) ali visokotemperaturno trdno oksidno gorivno celico (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell).

Trdno oksidne gorivne celice so tudi srce Buderusove naprave, ene izmed mnogih, ki jih v realnem okolju preskušajo v okviru projekta ene.field, in ena izmed 70 naprav tega proizvajalca. V leta 1953 zgrajeni in dvema letoma energijsko obnovljeni stanovanjski hiši v Nemčiji je julija jani nadomestila oljno peč. »Sistem s skupnim 90-odstotim izkoristkom proizvaja tako toploto kot električno energijo. Proizvedena elektrika se uporablja za delovanje porabnikov v hiši, presežke pa lastniki oddajajo v omrežje, pri čemer jim država zagotavlja odkup po zajamčeni ceni. Tako bodo zmanjšali letne stroške za energijo za 800 do 1300 evrov,« pravijo v Buderusu in pojasnjujejo, da njihov sistem deluje pri 700 stopinjah Celzija in dosega do 45-odstotni električni izkoristek.

Namestitev ogrevalne naprave na gorivne celice je zelo podobna namestitvi klasične kondenzacijske naprave, pravijo pri Vaillantu: »Sistem namreč sestavljajo podobne komponente: bojler za toplo vodo, zalogovnik toplote, kondenzacijski kotel oziroma peč in enota z gorivnimi celicami, tako imenovanim reformatorjem, ki poskrbi, da iz zemeljskega plina sproti nastaja zadostna količina vodika.« Vse skupaj dopolnjujeta dodatni merilnik za proizvedeno električno energijo in pametna regulacija.

Skoraj brez emisij

Kakor pojasnjuje Tadej Auer iz Razvojnega centra za vodikove tehnologije, so ogrevalne naprave na gorivne celice po zagotovilih proizvajalcev do okolja prijaznejše in predvsem bolj učinkovite: »Proces oksidacije vodika kot goriva poteka v gorivnih celicah skoraj brez izpustov. Upoštevati moramo seveda proizvodnjo vodika, ki je do okolja najprijaznejša, če poteka z obnovljivimi viri. Pričakovani povprečni električni izkoristek tovrstne naprave za energetsko preskrbo eno- ali dvostanovanjske stavbe je malo več kot 50-odstoten, medtem ko skupni izkoristek dosega 95 odstotkov.«

Prednost ogrevalnih sistemov z gorivnimi celicami je torej v pretvorbi vodika kot najčistejšega nosilca energije, takoj za električno, dodaja sogovornik: »Evropski prostor je energetsko odvisen od zunanjih virov in sistemi na gorivne celice zaradi svoje učinkovitosti zagotovo pripomorejo k zmanjšanju te odvisnosti, prav tako pomembno zmanjšujejo obremenitve okolja. Tovrstno odvis­nost pomembno zmanjšuje tudi tehnično in ekonomsko obvladovanje pridobivanja vodika iz obnovljivih virov, ki jih imamo na voljo. Slovenija, denimo, se večkrat omenja kot z vodnimi viri najbogatejša članica EU. Električna energija, proizvedena v hidroelektrarnah, je obnovljivi vir energije, ki z elektrolizo vode ustvarja vodik. V nočnem času, ko pričakujemo presežek električne energije, je lahko tak postopek ekonomsko sprejemljiv.«

Največjo oviro pri uveljavljanju ogrevalnih naprav na gorivne celice vidi sogovornik v njihovi ceni, ki je povezana s povpraševanjem, pomanjkljivost pri komercializaciji vodikovih tehnologij na splošno pa sta tudi proizvodnja in skladiščenje vodika: »To uspešno odpravljamo z neposredno uporabo zemeljskega plina v napravi. Pretvorba zemeljskega plina v vodik tako za okolje neškodljivo poteka posredno v napravi, ki v naslednjem koraku z uporabo vodika omogoča neposredno proizvodnjo električne energije in toplote za energetsko preskrbo stavbe.«

Trenutno se v Sloveniji resnično ne moremo pohvaliti z ogrevalnimi napravami na gorivne celice v realnem okolju, a Auer pravi, da si v Razvojnem centru za vodikove tehnologije močno prizadevajo, da bo do konca omenjenega projekta ene.field drugače: »Menimo namreč, da ti sistemi lahko uspešno konkurirajo večini konvencionalnih ogrevalnih sistemov v stanovanjskih stavbah, tudi večjih, saj so učinkovitejši in do okolja prijaznejši.«