Opracowana w Instytucie Energetyki technologia stosów stałotlenkowych ogniw elektrochemicznych (stosów) jest jednym

z ogniw łańcucha wartości technologii tworzących gospodarkę wodorową, służącym dekarbonizacji różnych sektorów gospodarki. Stos SOC w zależności od potrzeb odbiorcy końcowego może pracować jako generator energii elektrycznej i ciepła, tj. w trybie ogniwa paliwowego (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) lub jako generator wodoru w trybie elektrolizera (Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC). Ponadto opracowana technologia może pracować w trybie odwracalnym, tj. możliwe jest przełączanie pomiędzy trybami SOFC i SOE (reversible Solid Oxide Cell, rSOC), co pozwala na zastosowanie układu ze stosem SOC jako magazynu energii. Stosy SOC działają w wysokich temperaturach z zakresu 650-750 °C, co przekłada się na ich wysoką sprawność, możliwość integracji termicznej i procesowej z różnymi obiektami/ciągami przemysłowymi, a także pozwala na zastosowanie jako paliwa (podczas pracy w trybie SOFC) nie tylko wodoru, ale także innych paliw m.in. metanu czy amoniaku.

Jedną z cech charakterystycznych technologii jest jej modułowa budowa – stos składa się z powtarzalnych jednostek, które po połączeniu i zwielokrotnieniu pozwalają uzyskać wyższą moc (w trybie SOFC) lub wytwarzać więcej wodoru (w trybie SOE). Modułowość rozwiązania pozwala na niemalże nieograniczoną skalowalność układów na bazie stosów SOC, dostosowując je do konkretnych zastosowań rynkowych i oczekiwanej funkcjonalności. Ponadto należy podkreślić, iż stos SOC Instytutu Energetyki jest produkowany z wykorzystaniem innowacyjnych i bezodpadowych technik formowania jego elementów. Opracowana technologia stanowi atrakcyjną alternatywę w stosunku do zagranicznych rozwiązań tego typu, oferując jednakowe parametry pracy przy bardziej kompaktowych rozmiarach i niższym koszcie wytwórczym, który został zredukowany dzięki zastosowaniu zautomatyzowanych procesów produkcyjnych. W przypadku rozwiązań konkurencyjnych nie są stosowane metody wtrysku ceramiki i druku 3D.

Zalety technologii

Kluczową zaletą przestawionego rozwiązania jest wysoka sprawność stosu zarówno w trybie ogniwa paliwowego, jak i w trybie elektrolizera, a także możliwość pracy tego samego urządzenia w różnych trybach – SOFC, SOE bądź rSOC, w zależności od potrzeby odbiorcy technologii. W przypadku zasilania stosu wodorem jedynymi produktami reakcji jest para wodna, zubożone powietrze, wysokiej jakości energia elektryczna i ciepło (brak emisji zanieczyszczeń zarówno w formie gazowej jak i stałej). Należy podkreślić, iż technologia SOFC charakteryzuje się sprawnością elektryczną instalacji na poziomie 50-65% i sprawnością całkowitą (skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła) przekraczającą 90%, co przekłada się na wyższą efektywność energetyczną układu/systemu, w którym jest wykorzystywana, jednocześnie obniżając jego emisyjność w odniesieniu do innych generatorów energii zasilanych paliwami wodoronośnymi takimi jak metan, mieszanki hytanowe, amoniak czy biogaz. Ponadto w odróżnieniu do innych technologii ogniw paliwowych (technologii niskotemperaturowych), możliwe jest zastosowanie różnych paliw wodoronośnych np. metanu czy amoniaku jako paliwa, a nie jedynie wodoru o wysokiej czystości.

W odniesieniu do zastosowania opracowanego stosu SOC w trybie elektrolizera kluczową jego zaleta jest o ok. 15-25% niższy, w porównaniu do niskotemperaturowych elektrolizerów PEM i elektrolizerów alkalicznych, nakład energetyczny (zapotrzebowanie na energię elektryczną) niezbędny do wytworzenia kilograma wodoru. Należy podkreślić, iż zaproponowana technologia, zastępując proces reformingu parowego metanu, obniża ślad węglowy wytwarzania H2 z poziomu 8-12 CO2/kg H2 do wartości 0 kg CO2/kg H2 (przy założeniu, że energia elektryczna zasilająca stos SOC/układ ze stosem pochodzi z odnawialnych źródeł energii, takich jak farmy wiatrowe lub fotowoltaika).

Ponadto wykorzystywane techniki wytwórcze, w tym druk 3D uszczelnień oraz wtrysk wysokociśnieniowy ceramiki, nie tylko pozwalają na obniżenie kosztu wytworzenia technologii, ale są to również techniki bezodpadowe (możliwość ponownego użycia niewykorzystanej pasty/masy wtryskowej).

Odbiorcy technologii

Możliwość zabudowy stosu SOC w instalacji dedykowanej dla odbiorcy (możliwa praca w trybie SOFC, SOE i rSOC) oraz niemalże nieograniczona skalowalność technologii (dostosowanie mocy poprzez połączenie kolejnych modułów) pozwala na stosowanie opracowanego rozwiązania w wielu sektorach gospodarki. Wśród odbiorców technologii można wyróżnić:

• zakłady chemiczne i petrochemiczne eksploatujące reformery parowe węglowodorów, które będą musiały zostać zastąpione elektrolizerami,
• odbiorców dużych ilości wodoru, w szczególności dużą energetykę gazową sukcesywnie wdrażającą technologie wytwarzania nisko- i zero-emisyjnego wodoru,
• pojedynczego odbiorcę lub grupę odbiorców końcowych (np. spółdzielnia mieszkaniowa) – zaspokojenie popytu na energię elektryczną i ciepło,
• przedsiębiorstwo – stosy SOC jako podstawowa lub awaryjna jednostka zasilająca, dostarczanie wodoru do procesów technologicznych (SOE) lub magazynowanie naddatku energii (tryb odwracalny),
• sektor transportowy – stosy SOC jako jednostka napędowa pojazdów (głównie dalekodystansowych tj. pociągi, samochody ciężarowe, statki),
• sektor chemiczny, petrochemiczny czy metalurgiczny – produkcja wodoru oraz innych paliw syntetycznych (tryb elektrolizy) na potrzeby własne lub na sprzedaż,
• system elektroenergetyczny – implementacja w elektrowniach np. w układach hybrydowych z turbiną gazową lub kompensacja nadwyżki/niedoboru energii w sieci lub połączenie z systemami OZE – magazynowanie energii (energia elektryczna konwertowana na wodór i odwrotnie).

Informacja o wdrożeniach – przykłady

Opracowana w Instytucie Energetyki technologia stosów SOC została wdrożona w ramach następującej zleceń komercyjnych:

• Zlecenie komercyjne „Badania przemysłowe i prace eksperymentalno-rozwojowe nad wysokosprawną mikrokogeneracją opartą na stałotlenkowych ogniwach paliwowych zasilanych wodorem lub mieszaniną gazu ziemnego z wodorem (mCHP-SOFC)”, Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo S.A., Grupa Orlen – budowa układów mikrokogeneracyjnych z wykorzystaniem stosów SOC. W ramach kontraktu dostarczone zostały jak dotąd dwie instalacje.
• W ramach kontraktu, którego przedmiotem była „Modułowa instalacja odwracalnych ogniw stałotlenkowych przewidziana do integracji z elektrownią przemysłową w celu poprawy elastyczności jej pracy i zwiększenia wykorzystania odnawialnych źródeł energii w sektorze elektroenergetycznym” – budowa instalacji rSOC klasy 10 kW zintegrowanej z blokiem biomasowym Elektrociepłowni w Elblągu (Energa, Grupa Orlen) bazującej na stosach SOC Instytutu Energetyki. W ramach przedsięwzięcia zaprojektowana, zbudowana i dostarczona została jedna instalacja.