Microsoft Word - 304-san_martin.doc

Teknologi Hybrid : Sel Bahan Bakar dan Energi TerbarukanJ.I. San Martn 1, I. Zamora 2, J.J. San Martn 1, V. Aperribay 1, P. Egua 2Department of Electrical Engineering - University of the Basque Country1 Escuela Universitaria de Ingeniera Tcnica Industrial de Eibar

Avda. Otaola, 29, 20600 Eibar (Spain) e_mail: iepsadij@sb.ehu.es2 Escuela Tcnica Superior de Ingeniera de BilbaoAlda. Urquijo, 48013 Bilbao (Spain) e_mail: inmaculada.zamora@ehu.esAbstrakSistem hibrid yang terdiri dari dua atau lebih teknologi generasi listrik, dalam rangka mengoptimalkan efisiensi proses secara global. Sistem ini dapat menyajikan modalitas operasi yang berbeda. Technology ini juga memperhatikan efisiensi listrik, termal, serta pengurangan emisi polusi.Ada berbagai macam konfigurasi yang mungkin untuk menyesuaikan sistem hibrida, termasuk hidrogen, energi terbarukan, gas siklus, siklus uap atau keduanya. Tulisan ini akan menyajikan dan analisis sistem-sistem yang menggunakan sel bahan bakar, sebagai teknologi dasar, untuk proses hibridisasi. Secara khusus, proses kogenerasi yang dapat dikonfigurasi dengan PEMFC dan teknologi SOFC. Terkait dengan bahan bakar sel suhu tinggi, SOFC, itu dianggap kemungkinan menggunakan gas buang, dengan perawatan kemudian, untuk menghasilkan hidrogen untuk penyediaan teknologi PEMFC. Akhirnya, proses hibridisasi sel bahan bakar dengan turbin angin dan tanaman fotovoltaik disajikan.Key words: Teknologi Hibrid, Bahan Bakar, Kogenerasi, Energi Terbarukan.

1. PendahuluanPenurunan progresif bahan bakar fosil dan meningkatnya masalah lingkungan yang terkait dengan pembakaran , memaksa untuk mencari alternatif energi baru. Dalam konteks ini, hidrogen muncul sebagai vektor energik baru yang menawarkan keuntungan penting dan daya utama ke tempat-tempat di mana ia dituntut. Hidrogen dapat digunakan oleh sel bahan bakar tanpa emisi polutan. Selain itu, efisiensi energi yang lebih besar dapat diperoleh dibandingkan dengan jenis lain dari proses pembakaran. Pilihan dasar untuk memperoleh hidrogen ada dua:

Melalui proses reformasi, mulai dari hidrokarbon dan uap air. Dengan elektrolisis, mulai dari air.

Hidrogen yang yang diperoleh dengan elektrolisis tiga sampai lima kali lebih mahal daripada yang diperoleh dari reformasi. Namun, elektrolisis menghasilkan hidrogen sangat murni, yang terkadang merupakan syarat mutlak untuk menghindari keracunan dari katalis anoda. Dalam waktu dekat, peran penting diberikan kepada hidrogen untuk menyimpan energi dari sumber terbarukan dan untuk jenis lain dari teknologi di lembah jam. Dari sudut pandang ekonomis, energi angin adalah salah satu yang paling kompetitif dari semua energi terbarukan, itu bisa menjadi prosedur yang termurah untuk mendapatkan hidrogen. Terkait dengan energi surya photovoltaic, ambang radiasi untuk memulai produksi hidrogen electrolytic adalah sekitar 100 W/m2. Juga, energi kecil-hidrolik lain sumber energi terbarukan untuk dipertimbangkan.Menimbang bahwa sel bahan bakar adalah teknologi hibridisasi dasar, karakteristik yang paling menonjol dari beberapa perangkat yang berpartisipasi dalam sistem gabungan disajikan:

PEMFCs membutuhkan hidrogen murni untuk operasi yang benar. memiliki efisiensi listrik yang berkisar dari 40% sampai 60% dan, juga, dapat digunakan untuk air panas perumahan. menyajikan start up time sekitar 1 menit dan suhu berosilasi pekerjaannya di kisaran 60 C sampai 80 C. Karena karakteristik ini, PEMFCs adalah teknologi yang paling tepat untuk diintegrasikan dengan electrolysers aktif melalui energi terbarukan. menyediakan kepadatan energi yang tinggi dan, dibandingkan dengan model lain, lebih tipis dan kecil. MCFCs bekerja dengan suhu tinggi, sekitar 650 C.

Efisiensi listrik mereka adalah di kisaran 50% sampai

60% dan, mengingat proses kogenerasi, bisa mencapai 85%. Temperatur yang lebih tinggi memungkinkan hibridisasi dengan mesin penyerapan untuk proses Trigeneration. SOFCs bekerja dengan suhu dalam kisaran

750 C sampai 1.050 C. Efisiensi listrik adalah sekitar 50% sampai 60% dan, mengingat kogenerasi

proses, ini bisa mencapai 85%. Teknologi ini terutama memadai untuk proses hibridisasi dengan gas mikro-turbin, dalam versi bertekanan dan atmosfer. Saat ini sedang diselidiki untuk mencapai efisiensi global yang lebih baik dari keseluruhan sistem.2. Listrik Micro-gridInterkoneksi sumber generasi modular kecil ke jaringan distribusi tegangan rendah menetapkan sebuah konsep baru, listrik mikro-grid. mikro-grid dapat dihubungkan ke jaringan distribusi listrik atau bekerja dalam cara yang otonom. Mikro-grid mungkin termasuk teknologi yang berbeda, seperti: mikro-turbin, pabrik angin, sel bahan bakar, sel surya, dll, bersama dengan perangkat penyimpanan energi, seperti: baterai, kondensor dll,Beberapa teknologi, dalam lingkungan mikro-generasi, telah diterapkan selama bertahun-tahun, mesin pembakaran internal dan khususnya turbin gas. Lainnya, seperti mikro-turbin, sel bahan bakar dan sistem fotovoltaik biaya rendah yang memperoleh tolakan yang luar biasa. Selain itu, dalam beberapa kasus, instalasi mini dan mikro turbin hidrolik telah terjadi.Hal ini diyakini bahwa dalam jaringan listrik di dekat masa depan akan menggabungkan jumlah besar tegangan rendah mikro-grid, interkoneksi oleh sistem distribusi dan transmisi. Jadi, maka akan diperlukan koneksi yang memadai untuk pemantauan, pengendalian dan manajemen masing-masing mikro-grid. Selain itu, berbeda mikro-grid harus dikelola dengan baik dalam sistem kelistrikan. Gambar 1 menunjukkan proposal mikro-grid yang menggabungkan sumber daya terbarukan dan sel bahan bakar. Pada tabel 1, teknologi yang berbeda yang dapat berpartisipasi dalam konfigurasi mikro-grid yang rinci, termasuk data rentang kekuasaan, jenis bahan bakar dan efisiensi listrik.

TABLE 1. Technologies for electrical micro-grids

3. Kogenerasi dengan Sel Bahan BakarDalam sistem kogenerasi, jumlah bahan bakar yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik dan panas jauh lebih rendah daripada yang digunakan dalam sistem konvensional generasi listrik dan termal secara terpisah. Jadi, dari sudut pandang efisiensi global, sistem kogenerasi (panas dan tenaga listrik) sangat menjanjikan, karena jumlah dari efisiensi dari proses parsial menyiratkan efisiensi penggunaan sumber daya utama. Namun, penerapan sistem ini dibatasi oleh panas menuntut dan kemudian digunakan dalam industri, proses komersial atau domestik. Dengan cara ini, sementara tanaman combined cycle dapat mencapai efisiensi 55%, dengan kogenerasi bisa mencapai 90%. Hal ini hanya diperlukan untuk menginstal di samping sektor industri dan penduduk di mana uap air atau air panas diperlukan.Gambar 2 menunjukkan perangkat yang berbeda terkait dengan bahan bakar sel untuk menghasilkan tenaga listrik dan panas dan untuk koneksi mereka ke mikro-grid.

Gambar 2. Sel bahan bakar terhubung ke mikro-gridProduksi tenaga listrik secara simultan dalam sel bahan bakar dan penggunaan panas yang dihasilkan (misalnya, untuk mendapatkan lebih banyak kekuatan listrik dalam mikro turbin gas, atau untuk mengganti termal kebutuhan-panas dan dingin-instalasi di mana sel bahan bakar adalah terletak), memungkinkan untuk memperoleh efisiensi global yang lebih besar karena dapat diamati dalam persamaan

Global

= Q + E Qo

(1)

Gambar 1. Konfigurasi sistem alternatif sistem energi hybrid multi-sumber yang diusulkanDimana: Q adalah energi yang digunakan sebagai panas, E, adalah daya listrik yang dihasilkan dalam sel bahan bakar dan Qo, energi yang tersedia dalam bahan bakar yang digunakan.

Pilihan ini sangat umum dalam aplikasi stasioner sel bahan bakar, di mana mereka menghasilkan tenaga listrik di kisaran menengah atau tinggi tingkat [2].4. SOFC PEMFC hybrid power system Keuntungan dari sistem yang menggabungkan teknologi sel bahan bakar suhu tinggi dan rendah sedang dievaluasi, dengan cara algoritma prediksi [3]. Pada gambar 3, diagram blok sesuai dengan kombinasi teknologi SOFC-PEMFC dapat dilihat. Model ini telah dianalisis dengan simulasi dan menyajikan efisiensi listrik total 61%Gambar .4. Skema SOFC - Micro Turbin sistem hibrida GasFig.3. Scheme of SOFC PEMFC hybrid power system

Padat sel bahan bakar oksida (SOFC) menghasilkan gas listrik dan knalpot yang mengandung CO dan H2, tidak digunakan. Gas-gas ini mendingin dan diperkenalkan ke reaktor pergeseran, di mana CO bereaksi dengan H2O, menghasilkan CO2 dan H2. Setelah reaktor pergeseran, jejak sisa CO dieliminasi melalui reaksi katalitik selektif. Proses ini diperlukan untuk mencegah keracunan dari katalis yang digunakan dalam PEMFC tersebut. Hasilnya adalah gas sintesis, yang kaya hidrogen yang kemudian didinginkan sampai sekitar 70 C, sebelum masuk dalam PEMFC tersebut. Sebagai cairan anoda PEMFC mengandung non digunakan H2, ini dipanaskan untuk dibakar dengan aliran udara yang datang dari katoda SOFC.Dalam rangka mengoptimalkan proses, banyak faktor yang sedang diselidiki, misalnya, tingkat penggunaan bahan bakar atau kenaikan dari sel-sel permukaan. Dalam hal ini, harus diingat bahwa SOFCs memiliki harga yang lebih tinggi yang PEMFCs, tetapi mantan lebih efisien. Proses lain yang sedang dipelajari adalah desain tahap pemulihan panas. Untuk mengoptimalkan efisiensi termal dari sistem global, panas ini harus dipindahkan secara efisien ke cairan terdingin, misalnya, ke udara yang masuk dan bahan bakar, serta gas-gas buangan yang berasal dari anoda PEMFC5. SOFC-Gas Turbin Micro Hybrid

Power SystemGambar 4 menunjukkan diagram blok kW sistem hibrida 30, dibentuk oleh sel bahan bakar SOFC dan mikro turbin gas.

Ruang pembakaran dari Turbin Mikro dilengkapi untuk sepenuhnya mengoksidasi residu termasuk dalam gas buang dari anoda. Seluruh sistem diberi makan dengan metana pada suhu dan tekanan atmosfer [4]. Di sisi lain, udara terkompresi menghangat sebelum masuk dalam katoda SOFC. Oksigen dari udara keluar dari katoda digunakan dalam proses pembakaran untuk membakar sisa hidrogen, karbon monoksida dan metana ada. Para limbah yang berasal dari ruang bakar mengembang di turbin dan, dengan cara recuperator, intake udara dipanaskan. Dalam pembaharu, metana pra-direformasi dengan uap limbah anoda dan panas kelebihan datang dari SOFC.

Nilai-nilai numerik yang muncul dalam gambar 4 menunjukkan contoh yang khas, dengan hasil berdasarkan kondisi desain aman. Efisiensi listrik, sekitar, 63% (LHV). Untuk teknologi ini, efisiensi sekitar 70% yang diramalkan6. Bahan Bakar - Turbin Angin - PV Hybrid

SystemEnergi terbarukan, terutama angin dan matahari, menghasilkan tenaga listrik dengan cara terputus-putus. Sebagai kekuatan ini tidak selalu dapat disimpan atau dikirim ke jaringan, yang ditemukan dalam hidrogen vektor energi untuk menyimpannya. Dalam hal ini, suplemen hidrogen keterbatasan kedua energi dan sebaliknya, angin dan energi surya dapat membantu dengan biaya tinggi menghasilkan hidrogen dari elektrolisis air.Dalam skenario ini, energi terbarukan dan hidrogen merupakan suatu binomial menarik dalam berbagai aplikasi [5], seperti pembentukan hidrogen pada tanaman besar untuk digunakan nanti dalam: aplikasi stasioner, transportasi atau untuk memberi makan sistem terhubung ke jaringan listrik. Dalam jam lembah atau dengan surplus energi, angin sistem turbin-PV terhubung ke jaringan dapat memasok tenaga listrik untuk electrolyser tersebut. Yang diperoleh hidrogen disimpan dan kemudian akan digunakan dalam sel bahan bakar. Daya listrik disediakan untuk perangkat ini akan digunakan dalam instants dari rendahnya aktivitas pertanian angin atau dengan ambang terbatas radiasi matahari [6

Aplikasi lain yang menarik adalah penggunaan hidrogen yang dihasilkan dengan energi terbarukan dalam sistem otonomi terisolasi. Dalam sistem terisolasi, kurva permintaan biasanya tidak beradaptasi dalam ukuran besar untuk kurva generasi. Karakter intermiten energi terbarukan membuat diperlukan untuk menyimpan energi untuk kemudian digunakan dalam jam yang tepat.Dalam desain sistem generasi otonom, saldo energi harian dilakukan berdasarkan analisis dari energi yang diperlukan dan estimasi energi yang dihasilkan. Saldo-saldo menggunakan data statistik dari sumber daya alam: radiasi matahari, kecepatan angin dan frekuensi, dll Dalam anggapan ini, tangki hidrogen memiliki kapasitas yang cukup, tidak hanya untuk mengasumsikan saldo harian generasi dan permintaan, tetapi juga untuk menyediakan sistem dengan otonomi yang sesuai. Dengan demikian, sistem ini bekerja dalam periode aktivitas berkurang generator angin.Dengan sistem fotovoltaik, metode yang paling digunakan untuk melaksanakan desain ini adalah bahwa bernama "bulan terburuk". Sistem ini dirancang di bawah kondisi yang paling ketat, yang mengatakan, ketika hubungan antara produksi dan permintaan adalah yang terendah. Situasi ini biasanya terjadi pada periode musim dingin, ketika radiasi matahari lebih kecil. Dengan cara ini, pasokan listrik akan dijamin sepanjang tahun. Perbedaan sumber daya di antara musim menyebabkan sistem ini menjadi over-rated di musim panas dan lebih disesuaikan di musim dingin. Dari sudut pandang ini, kombinasi angin dan energi surya biasanya menarik, karena mereka adalah sumber komplementerCara di mana hidrogen dapat digunakan untuk penyimpanan energi surya fotovoltaik ditunjukkan pada Gambar 5. Sistem hybrid ini juga dikenal sebagai sistem regeneratif. Pada siang hari, panel fotovoltaik menghasilkan hidrogen dan oksigen. Selama malam, tenaga listrik yang dihasilkan dengan cara sel bahan bakar. Air yang berasal dari reaksi elektrokimia dari sel bahan bakar diarahkan untuk electrolyser tersebut.

Gambar 5. PV - sistem hibrida FCAkhirnya, gambar 6 menunjukkan diagram blok sesuai dengan sistem hibrida disusun oleh "Turbin Angin-Sel Bahan Bakar-Ultra Kapasitor" [7]. Sistem ini terdiri atas generator angin, generator induksi dengan bank kapasitor untuk koreksi faktor daya, ac / dc konverter,a FC / UC sistem, dc / dc konverter, dua dc / ac inverter dan transformator tiga-berliku yang menghubungkan sistem dengan jaringan listrik.

Gbr.6. Turbin Angin - FC - UC sistem hibrida7.Proposal penelitian sistem hibrida dengan energi terbarukanEnergi terbarukan dan teknologi yang muncul, berdasarkan hidrogen sebagai vektor energi, saat ini dianggap menjadi alternatif untuk meredakan aspek negatif dari skenario energi sangat polusi dan sangat tergantung. Selanjutnya, karakteristik beberapa proyek penelitian yang berkaitan dengan sistem hibrida disajikan. Proyek-proyek yang sedang dikembangkan di tingkat Uni Eropa.A. Project RES2H2

Proyek ini mencoba untuk menunjukkan kelangsungan hidup "bersih" produksi hidrogen, di tingkat industri. Tujuan ini dapat membantu untuk memecahkan masalah penyimpanan energi yang biasanya melekat pada banyak sumber energi terbarukan [8]. Dalam hal ini, proyek mengusulkan sistem hibrida hidrogen dan energi angin, menjadi yang terakhir sumber energi terbarukan dengan variasi temporer yang signifikan dari produksi energi.

Fig 7. Angin Turbin - sistem hibrida FCSistem ini membutuhkan perhatian khusus dalam desain unit elektrolisis air. Di sisi lain, minum

air juga dianggap sebagai sumber daya terbatas lain, dengan biaya energi yang tumbuh di lingkungan nasional dan internasional.

Dalam proyek ini, dua sistem energi mandiri akan dirancang, dibangun dan dievaluasi. Sehingga, mulai dari energi angin, maka akan dapat menghasilkan hidrogen, listrik dan air. Jenis ini sistem dapat diimplementasikan dalam waktu dekat, di daerah dengan potensi terbarukan tinggi, untuk produksi dan komersialisasi hidrogen. Selain itu, akan memungkinkan meliputi tenaga listrik, permintaan termal dan air. Gambar 7 menunjukkan garis besar umum dari RES2H2 Proyek EropaB. FIRST ProjectProyek ini menganalisis keandalan dan efisiensi sel bahan bakar hidrogen dan digunakan untuk telekomunikasi di sistem remote, serta pengembangan sistem generasi ini [9]. Proyek ini terdiri dari desain, instalasi dan analisis hasil dua topologi: Sistem 1 dan 2 Sistem. Angka 8 dan 9 menunjukkan dua konfigurasi yang mungkin yang sedang dikembangkan dalam proyek ini.

Fig 8. System 1 - FIRST Project

Fig 9. System 2 - FIRST Project

C. Stand-Alone Power Systems, in La Rambla delAguaSejumlah tinggi karya penelitian, di Stand-Alone Power Systems, sedang dikembangkan di Eropa. Sistem ini memasok tenaga listrik untuk fasilitas dan masyarakat tidak terhubung ke jaringan listrik umum. Sistem ini mengintegrasikan energi terbarukan dengan teknologi hidrogen. Mereka biasanya menggantikan generator diesel danbaterai untuk sel bahan bakar yang makan dengan hidrogen yang berasal dari electrolyser. Dalam konteks ini, menarik untuk menyoroti bahwa efisiensi khas dari sistem ini biasanya berosilasi antara 30 dan 40%, [10].

Sebuah sistem jenis ini telah dikembangkan untuk "La Rambla del Agua (Granada, Spanyol)". Daya listrik berasal dari sistem hibrida disusun oleh pabrik fotovoltaik, generator diesel dan baterai. Ini microgrid listrik konvensional dapat dilihat pada gambar 10. Selain itu, usulan rekonfigurasi virtual ditunjukkan pada gambar 11.

Gambar 10. Microgrid konvensional, "Rambla del Agua"

Gambar 11. PV-FC sistem hybrid, "Rambla del Agua"Pada Gambar 12, analisis komparatif dari biaya energi menunjukkan, untuk modalitas konvensional dan satu ulang, di tahun 2003-2005 dan jangka panjang

Gambar 12. Perbandingan biaya energi (COE)

8. KesimpulanPerbaikan dalam sistem distribusi, perangkat elektronik baru dan peramalan beban yang lebih baik akan mengurangi, sebagian, masalah yang terkait dengan integrasi energi terbarukan dalam jaringan. Namun, mereka tidak akan menghilangkan sifat berfluktuasi dari sumber-sumber terbarukan. Juga, seperti instalasi ini meningkatkan akan diperlukan penggunaan sistem penyimpanan energi. Di antara pilihan yang tersedia berbeda, penyimpanan dengan cara hidrogen sangat menarik untuk fleksibilitas. Jadi, ketika produksi energi lebih unggul permintaan lokal atau diprogram, surplus dapat digunakan untuk menghasilkan hidrogen mulai dari elektrolisis air. Hidrogen ini disimpan dan dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk menghasilkan tenaga listrik dan panas, dengan cara sel bahan bakar stasioner.

Dalam hal ini, harus ada dalam pikiran bahwa efisiensi dari siklus "power-electrolyser-hidrogen penyimpanan bahan bakar listrik sel-listrik listrik" biasanya berosilasi antara 30% dan 40%. Dalam anggapan ini, kelangsungan hidup akan muncul dalam sebuah skenario di mana sistem distribusi sangat tergantung pada kekuatan berselang, atau juga, ketika harga energi yang stabil adalah dua atau tiga kali lebih unggul dari harga energi berfluktuasi. Di sisi lain, pertimbangan lingkungan dan surplus energi dapat menyarankan untuk mengikuti opsi ini.

Dalam konteks ini, makalah ini telah terkena sistem hibrida yang berbeda yang dapat disesuaikan mengambil sel bahan bakar sebagai perangkat dasar. Sel-sel bahan bakar yang dikombinasikan dengan sistem kogenerasi, turbin angin, gas mikro-turbin, pembangkit fotovoltaik, hidro kecil, dll Teknologi ini diintegrasikan dalam sistem distribusi listrik tegangan rendah, sehingga mereka membantu untuk pemeliharaan sistem listrik tumbuh, baik secara kuantitas maupun kualitas energi yang diperlukan.Ucapan Terima KasihPekerjaan disajikan dalam makalah ini telah dikembangkan oleh tim peneliti dari Proyek ENE2006-15700-CO2-

02/CON, didukung oleh MEC (Spanyol).Referensi[1] I. Zamora, J.I. San Martn, A.J. Mazn, J.J. San Martn, V.

Aperribay, J.M Arrieta, S. Daz, Desarrollo e Implantacin de Microrredes Elctricas, Revista Energa No. 192, pp 53-61, 2006.

[2] K. Kobayashi, M. Kawamura, T. Takahashi, Y. Nishizaka, K. Nishizaki, PEMFC Project, Technology Development Department, Tokyo Gas Co., Ltd.

[3] A.L. Dicks, R.G. Fellows, C. Martin Mescal, C. Seymour, A study of SOFC-PEM hybrid systems, Journal of Power Sources, 2000.

[4] S. Kimijima, N. Kasagi, Performance evaluation of gas turbine-fuel cell hybrid microgeneration system, Proceedings of ASME TURBO EXPO, Amsterdam, 2002.

[5] O. Alonso, A. Vegas, F. Isorna, J. Benz, Integracin de pilas de combustible en sistemas autnomos alimentados com fuentes de energa renovables.

[6] K. Rajashekara, Hybrid Fuel Cell Strategies for Clean Power Generation, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41, No. 3, 2005.

[7] O.C. Onar, M. Uzunoglu, M.S. Alam, Dinamic modelling, design and simulation of a wind/fuel cell/ultracapacitor-based hybrid power generation system, Journal of Power Sources, pp. 707-722, May 2006.

[8] Cluster Pilot Project for the Integration of RES into European Energy Sectors using Hydrogen, Contract: ENK5-CT-2001-00536, European Commission.

[9] FIRST Project, Contract: ERK5-CT-1999-00018.

European Commission.

[10] ALTENER Programme, Contract: 4.1030/Z/01-101-2001, European Commission.