Εφαρμογή πειραματικών μετρήσεων κυψέλης καυσίμου τύπου PEM στον τομέα των μεταφορών και σε ολοκληρωμένα συστήματα ΑΠΕ και τεχνολογιών υδρογόνου

Abstract

Η αύξηση της τιμής του πετρελαίου σε συνδυασμό με τη συνεχή αμφισβήτηση σχετικά με τη δυναμική και τη δημόσια αποδοχή για την πυρηνική ενέργεια, έχουν οδηγήσει σε αναζήτηση εναλλακτικών μορφών ενέργειας φιλικότερων προς το περιβάλλον. Είναι η κατάλληλη στιγμή για συνεργασία ανάμεσα στην επιστημονική κοινότητα και τη βιομηχανία ενέργειας προς ανεύρεση λύσεων για ένα καλύτερο και περιβαλλοντικά καθαρότερο ενεργειακό σύστημα. Λαμβάνοντας υπόψη την προστασία του περιβάλλοντος, την ασφάλεια στην διακίνηση ενέργειας και την εκμετάλλευση ενεργειακών πηγών που προωθούν την οικονομική ανάπτυξη κοινωνιών, το θέμα της «κοινωνίας του υδρογόνου» αρχίζει να απασχολεί εκτός από τους μηχανικούς και τους επιστήμονες και άλλους βιομηχανικούς, πολιτικούς και κοινωνικούς φορείς. Το ενδιαφέρον για το υδρογόνο, το απλούστερο και αφθονότερο στοιχείο της φύσης, προκύπτει από τα σημαντικά πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν οι κυψέλες καυσίμου – οι πιθανοί διάδοχοι των μπαταριών φορητών συσκευών, των μονάδων παροχής ισχύος και των μηχανών εσωτερικής καύσης. Στο θεωρητικό μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται αρχικά οι πιο διαδεδομένες τεχνολογίες παραγωγής, αποθήκευσης και επαναχρησιμοποίησης υδρογόνου. Στη συνέχεια παρουσιάζονται διαφορετικές τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται ως μέσο αποθήκευσης και εκμετάλλευσης της περίσσειας ενέργειας που προκύπτει από υβριδικά συστήματα παροχής ισχύος τα οποία ενσωματώνουν ΑΠΕ. Γενικά οι τεχνολογίες υδρογόνου δεν είναι τόσο αναπτυγμένες στις σταθερές εφαρμογές όσο στον τομέα των μεταφορών, εκτός από κάποιες εξαιρέσεις. Οι τεχνολογίες υδρογόνου και ειδικότερα οι κυψέλες καυσίμου βρίσκονται σε στάδιο ανάπτυξης για εφαρμογή κυρίως σε συστήματα αδιάλειπτης παροχής ισχύος, σε συστήματα συμπαραγωγής και σε συστήματα παροχής ισχύος απομακρυσμένων περιοχών συμπεριλαμβανομένων και των μη-διασυνδεδεμένων με το υπόλοιπο δίκτυο νησιών. Τα περισσότερα αυτόνομα συστήματα παροχής ισχύος που συνδυάζουν ΑΠΕ και τεχνολογίες υδρογόνου έχουν αναπτυχθεί στα πλαίσια ερευνητικών και επιδεικτικών προγραμμάτων. Στο κεφάλαιο Ι.3 παρουσιάζονται ενδεικτικά κάποια από αυτά τα συστήματα με έμφαση στις σταθερές εφαρμογές και τα νησιά. Στο κεφάλαιο Ι.4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μελέτης McKinsey, η οποία καταστρώθηκε με σκοπό την αποτύπωση του ρόλου των επιβατικών ηλεκτρικών οχημάτων με μπαταρία, των υβριδικών με βύσμα εισαγωγής σε πρίζα και των ηλεκτροκίνητων με κυψέλη καυσίμου στον τομέα των μεταφορών στην Ευρώπη. Στα πλαίσια της μελέτης McKinsey πραγματοποιήθηκε η σύγκριση της απόδοσης, των λειτουργικών χαρακτηριστικών και του κόστους των παραπάνω κατηγοριών οχημάτων, με τα αντίστοιχα των συμβατικών επιβατικών οχημάτων μηχανής εσωτερικής καύσης. Στο πειραματικό μέρος παρουσιάζονται πειραματικές μετρήσεις κυψέλης καυσίμου τύπου PEM και αλκαλικής ηλεκτρόλυσης με σκοπό την εφαρμογή τους στον τομέα των μεταφορών και σε ολοκληρωμένα συστήματα παροχής ισχύος τα οποία περιλαμβάνουν ΑΠΕ και τεχνολογίες υδρογόνου. Παρουσιάζονται επίσης πειραματικές μετρήσεις με μεταβαλλόμενο φορτίο στην κυψέλη καυσίμου τύπου PEM, με σκοπό την αξιολόγηση της συνδυασμένης λειτουργίας της συστοιχίας της με τη διάταξη των μπαταριών που η ίδια ενσωματώνει. Τα αποτελέσματα χρησιμοποιούνται ως βασικές παράμετροι εισόδου σε εργαλείο προσομοίωσης υβριδικών συστημάτων παροχής ισχύος. Δύο είναι οι περιπτώσεις συστημάτων ισχύος οι οποίες εξετάζονται:

α) Κατά την πρώτη, εξετάζονται δύο διαφορετικές εναλλακτικές για την αυτόνομη παροχή ισχύος απομονωμένων ή/και απομακρυσμένων κτιρίων. Η πρώτη εναλλακτική περιλαμβάνει σύστημα παροχής ισχύος βασιζόμενο σε φωτοβολταϊκά και diesel, ενώ η δεύτερη ενσωματώνει ΑΠΕ και τεχνολογίες υδρογόνου προς την ανάπτυξη ενός αυτόνομου συστήματος παροχής ισχύος. Ο κύριος σκοπός είναι η αντικατάσταση της γεννήτριας πετρελαίου diesel και η σύγκριση των δύο αυτών εναλλακτικών για την αυτόνομη παροχή ισχύος.

β) Η δεύτερη μελέτη περίπτωσης που εξετάζεται είναι το νησί της Μήλου. Πιο συγκεκριμένα, λαμβάνουν χώρα δύο προσομοιώσεις και στη συνέχεια τα αποτελέσματα συγκρίνονται μεταξύ τους. Η πρώτη προσομοίωση είναι σχετική με το υπάρχον σύστημα παροχής ισχύος του νησιού, το οποίο καλύπτει τις ανάγκες του φορτίου κατά 87% από ορυκτά καύσιμα, ενώ το υπόλοιπο 13% καλύπτεται από ΑΠΕ. Στη δεύτερη προσομοίωση εξετάζεται η αύξηση της διείσδυσης των ΑΠΕ στο νησί σε συνδυασμό με τεχνολογίες υδρογόνου ως μέσο αποθήκευσης της περίσσειας ενέργειας που προκύπτει από αυτές.

Παράλληλα μελετάται η πιθανή κάλυψη των ενεργειακών αναγκών στον τομέα των δημοτικών μεταφορών της Μήλου. Το τελευταίο προκύπτει καθώς ακόμα και στο προτεινόμενο σύστημα παροχής ισχύος υπάρχει ανεκμετάλλευτη περίσσεια ενέργειας. Μέρος της ενέργειας αυτής δύναται να διοχετευθεί σε μία επιπλέον μονάδα ηλεκτρόλυσης, με σκοπό το παραγόμενο υδρογόνο να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο σε λεωφορεία τα οποία και θα πραγματοποιούν τα τοπικά δρομολόγια του νησιού, καλύπτοντας έτσι τις ενεργειακές ανάγκες των δημοτικών μεταφορών στο σύνολό τους.

Δημοσιεύσεις

Κατά την εκπόνηση της διατριβής δημοσιεύτηκαν οι εξής εργασίες σε επιστημονικά περιοδικά, εθνικά και διεθνή συνέδρια:

Επιστημονικά περιοδικά:

• Alessandra Parisio, Evangelos Rikos, George Tzamalis, Luigi Gilelmo, Use of model predictive control for experimental microgrid optimization, Applied Energy 115 (2014) 37 – 46 • G. Tzamalis, E.I. Zoulias, E. Stamatakis, O.-S. Parissis, A. Stubos, E. Lois, Techno-economic analysis of RES & Hydrogen technologies integration in remote island power system, International Journal of Hydrogen Energy 38 (2013) 11646 – 11654 • G. Tzamalis, E.I. Zoulias, E. Stamatakis, E. Varkaraki, E. Lois, F. Zannikos, Techno-economic analysis of an autonomous power system integrating hydrogen technology as energy storage medium, Renewable Energy 36 (2011) 118 – 24

Διεθνή συνέδρια:

• Euro-mediterranean Hydrogen Technologies Conference, EmHyTec 2012, Techno-economic analysis of RES & hydrogen technologies integration in remote island power systems, G. Tzamalis, E.I. Zoulias, E. Stamatakis, O. – S. Parissis, A. Stubos, E. Lois, 11 – 14 September, 2012, Tunisia • Διεθνές Επιστημονικό Συνέδριο για τις Εφαρμογές των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, Τεχνολογίες Αποθήκευσης Ενέργειας ως Μέσο για την Αύξηση της Διείσδυσης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, Ζούλιας Εμμανουήλ, Σταματάκης Εμμανουήλ, Τζαμαλής Γεώργιος, Παρίση Όλγα, 1-2 Σεπτεμβρίου 2009, Χανιά • Antonios G. Tsikalakis, Nikos D. Hatziargyriou, George Caralis, Arthouros Zervos, Emmanuel Zoulias, Emmanuel Stamatakis, George Tzamalis, Olga Parissis, Salvador Suarez Garcia, Daniel Henriquez Alamo, Impact of different applications of storage systems in island power systems, Conference on the promotion of distributed renewable energy sources in the Mediterranean region, 11 – 12 December 2009, Nicosia, Cyprus

Εθνικά συνέδρια:

• 8ο Πανελλήνιο Επιστημονικό Συνέδριο Χημικής Μηχανικής, Αποτελέσματα πειραματικών μετρήσεων κυψέλης καυσίμου τύπου PEM, Γ. Τζαμαλής, Εμ. Ζούλιας, Ε. Λόης, Εμ. Σταματάκης, Ολ. Παρίση, 26 – 28 Μαΐου 2011, Θεσσαλονίκη • 4ο Εθνικό Συνέδριο: Η Εφαρμογή των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας προς Ένα Φιλόδοξο και Αξιόπιστο Εθνικό Πρόγραμμα Δράσης, Τεχνολογίες Υδρογόνου ως Μέσο Αύξησης της Διείσδυσης των ΑΠΕ και ως Μέσο Κάλυψης Ενεργειακών Αναγκών στον Τομέα των Μεταφορών. Η Μελέτη Περίπτωσης της Μήλου, Γ. Τζαμαλής, Εμ. Ζούλιας, Εμ. Σταματάκης, Όλ. Παρίσση, Αν. Βλάσσης, 10 – 12 Μαΐου 2010. Αθήνα • 9ο Εθνικό Συνέδριο για τις Ήπιες Μορφές Ενέργειας, Αύξηση διείσδυσης ΑΠΕ σε νησιωτικά συστήματα μέσω τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας: Μελέτη περιπτώσεων, E. Stamatakis, A. Tsikalakis, G. Tzamalis, E.I. Zoulias, E. Varkaraki, G. Caralis, P. Coroyiannakis, N. Chatziargiriou, S. Suárez García, D. Henriquez, M.-E. Delenta, 26 – 28 Μαρτίου 2009, Πάφος, Κύπρος • 7ο Πανελλήνιο Επιστημονικό Συνέδριο Χημικής Μηχανικής, Τεχνολογίες Αποθήκευσης Ενέργειας ως Μέσο για την Αύξηση της Διείσδυσης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, Τζαμαλής Γεώργιος, Λόης Ευριπίδης, Ζούλιας Εμμανουήλ, Σταματάκης Εμμανουήλ, 4- 6 Ιουνίου 2009, Πάτρα • 3ο Εθνικό Συνέδριο Τεχνολογιών Υδρογόνου, Παραγωγή υδρογόνου από αναμόρφωση αιθανόλης και δοκιμές κυψελών καυσίμου σε test bench, Εμ. Ζούλιας, Εμ. Σταματάκης, Ευρ. Λόης, Φ. Ζαννίκος, Γ. Τζαμαλής, 19 – 20 Νοεμβρίου 2007, Πάτρα • 3ο Εθνικό Συνέδριο Τεχνολογιών Υδρογόνου, Παραγωγή και αποθήκευση υδρογόνου από αιολική ενέργεια στην Κερατέα Αττικής, Ελ. Βαρκαράκη, Φ. Ζαννίκος, Εμ. Ζούλιας, Ευρ. Λόης, Εμ. Σταματάκης, Γ. Τζαμαλής, 19 – 20 Νοεμβρίου 2007, Πάτρα • 3ο Εθνικό Συνέδριο Τεχνολογιών Υδρογόνου, Εργαστήριο ενσωμάτωσης τεχνολογιών υδρογόνου και ΑΠΕ: Πρώτα αποτελέσματα λειτουργίας, Ε.Ι. Ζούλιας, Ε. Βαρκαράκη, Ε. Σταματάκης, Γ. Τζαμαλής, 19 – 20 Νοεμβρίου 2007, Πάτρα • 2ο Πανελλήνιο Συνέδριο Εναλλακτικών Καυσίμων και Βιοκαυσίμων, «Παραγωγή και Αποθήκευση Υδρογόνου από Αιολική Ενέργεια. Πρώτα Αποτελέσματα», Τζαμαλής Γ., Λόης Ε., Βαρκαράκη Ε., Ζούλιας Ε., Λυμπερόπουλος Ν., 26 – 27 Απριλίου 2007, Λίμνη Πλαστήρα

The never-ending stories on an alternative energy supply for a cleaner environment, recently related with efforts to decrease global CO2 emissions, has been revived by the steep increase in oil prices and the parallel controversy about the potential and public acceptance of nuclear energy. Thus, it is now the right time for the scientific community and energy producers to synthesise their knowledge in order to achieve realistic solutions towards a cleaner energy system. Taking into account concerns that are related to environmental protection, security in the energy supply, and the utilisation of energy sources that promote the economic growth of societies, the concept of a “hydrogen economy era” is moving beyond the realm of scientists and engineers into the lexicon of political and business leaders. Interest in hydrogen, the simplest and most abundant element in the universe, is also emerging due to technical advances in fuel cells – the potential successors to batteries in portable electronics, power plants, and the internal combustion engine. At the theoretical part of this work, the most widespread hydrogen production, storage and re-electrification technologies are presented. Different methods of storage and exploitation of energy deriving from hybrid power systems integrating Renewable Energy are also presented. Generally hydrogen technologies are more applicable in transport sector than in permanent applications apart from some exceptions. Hydrogen technologies and especially fuel cells are in R&D stage. Fuel cells seem to be more suitable for uninterruptible power supply systems, for co-generation of heat and power systems and for power supply of remote regions such as non-interconnected with the main grid islands. Most of the autonomous power systems integrating Renewable Energy Sources (RES) and hydrogen technologies as energy storage medium have been developed in the framework of research and demonstration projects. In chapter I.3 some of these systems, which have been developed for permanent applications and for the power supply of islands, are presented. In chapter I.4, the main results deriving from McKinsey study are presented. McKinsey study prepared with the purpose of illustrating the role of battery electric vehicles, plug-in hybrid and fuel cell vehicles in transport sector for Europe. In the framework of this study, a comparison between internal combustion engine vehicles and electric vehicles took place. This comparison performed with respect to efficiency, operational characteristics and costs. At the second part of this work, experimental results regarding a PEM fuel cell and an alkaline electrolyser are presented. The main objective is the integration of these experimental results in transport sector and in hybrid RES-Hydrogen Technologies power systems. Moreover, experimental measures performed in order to evaluate and decide about the combined operation of the batteries and the stack of the specific PEM fuel cell. These measures performed under stable and floating load. All results used as main input parameters in HOMER software tool, which has been developed by National Renewable Energy Laboratory (NREL, USA) and is suitable for hybrid power systems simulations.

Two case studies examined in the framework of the present Doctoral thesis:

a) At the first one, two different options for the autonomous power supply of rural or/and remote buildings are presented. The first one involves a PV – diesel based power system, while the second one integrates RES and hydrogen technologies for the development of a self – sustained power system. The main objective is the replacement of the diesel generator and a comparison between these two options for autonomous power supply. Model simulations of the two power systems before and after the replacement, an optimization of the component sizes and a techno – economic analysis have been performed for the purpose of this study. A sensitivity analysis taking into account future cost scenarios for hydrogen technologies is also presented. The results clearly show that the Cost of Energy Produced (COE) from the PV – hydrogen technologies power system is extremely higher than the PV – diesel power system. However, the adopted PV – hydrogen technologies power system reduces to zero the Green House Gas (GHG) emissions. Moreover, the sensitivity analysis indicates that COE for the latter system can be further reduced by approximately 50 % compared to its initial value. This could be achieved by reducing critical COE’s parameters, such as PEM electrolyser and fuel cell capital costs. Hence, a possible reduction on the capital costs of hydrogen energy equipment in combination with emissions reduction mentioned above could make hydrogen – based power systems more competitive.

b) The main objective of the second case study was the integration of hydrogen technologies as an energy storage medium in a hybrid power system. The existing power system of the island of Milos, which is based on fossil fuel generators and a small wind park, is assessed in the context of this study. System level simulation results, from both technical and economic point of view, are presented for the currently existing and the proposed island’s hybrid power system. The latter integrates a higher number of wind turbines and hydrogen technologies as energy storage medium, and the two system architectures are being compared taking into account not only technical and economic parameters but also GHG emissions, fossil fuels consumption and RES penetration increase. Moreover, a sensitivity analysis has been performed in order to determine the contribution of hydrogen technologies equipment costs; with the COE being the critical parameter. Results show that COE for the proposed power system is higher than the existing one, but on the other hand GHG emissions and fossil fuel consumption are significantly reduced. In addition, RES penetration increases dramatically and the sensitivity analysis indicates that a further reduction in hydrogen technologies equipment and subsidy on wind turbine costs would make RES & Hydrogen-based systems economically competitive to the existing power system of the island.

Finally, the possibility to meet the island’s energy needs in the field of public transport was also examined. The latter arises due to the fact that even in the proposed power system of Milos, there was unused excess electricity. Part of this energy could feed an additional elctrolyser and the hydrogen produced could be used as fuel for public hydrogen buses in order to run all of the local routes. Hence, the energy needs in public transport could be covered in total.

At this point I wish to express my sincere thanks to my supervisor Professor Evripidis Lois at the School of Chemical Engineering of the National Technical University of Athens (NTUA), for his supervision, continuous encouragement and helpful suggestions during the thesis work. Special thanks go to Dr. Emmanuel Zoulias, Head of RES and Hydrogen Technologies Section of Center for Renewable Energy Sources and Saving (CRES), for his valuable support and contribution. I also owe great thanks to Dr. Emmanuel Stamatakis, scientific partner of RES and Hydrogen Technologies section of CRES, for his helpful advice and suggestions. Their guidance proved of immense benefit in the preparation of this thesis. I gratefully acknowledge the financial support that I have received from CRES and Fuels and Lubricants Technology Laboratory (NTUA, School of Chemical Engineering) during my Ph.D. studies. Finally, I wish to express my gratitude to all my family members, for their patience, understanding and encouragement during the thesis work. To them, this thesis is dedicated.