Τα τελευταία χρόνια έχει δημιουργηθεί επιτακτική ανάγκη ανάπτυξης νέων μεθόδων για την παραγωγή ανανεώσιμων μορφών ενέργειας. Οι ενεργειακές απαιτήσεις που καλύπτονται από τα ορυκτά καύσιμα, τα οποία περιέχουν άνθρακα, έχει σαν αποτέλεσμα την αυξανόμενη απελευθέρωση CO2, γεγονός που ευνοεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου και την όξινη βροχή. Η εξάρτηση λοιπόν από τις εξαντλήσιμες πηγές ενέργειας, αφού οι ποσότητες των ορυκτών καυσίμων είναι περιορισμένες, και η ρύπανση του περιβάλλοντος, αποτελούν κινητήριες δυνάμεις για την ανάπτυξη και εκμετάλλευση νέων εναλλακτικών μορφών ενέργειας.
Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, κατασκευή και υλοποίηση ενός αυτόνομου υβριδικού συστήματος παραγωγής υδρογόνου, ως μια ανανεώσιμη μορφή ενέργειας (ΑΠΕ), εκμεταλλευόμενο την πλεονάζουσα ενέργεια από ΑΠΕ. Το σύστημα περιλαμβάνει μια ανεμογεννήτρια και μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια, οι οποίες αποτελούν τις κύριες ενεργειακές πηγές, ενώ μια υδρογονογεννήτρια (ηλεκτρόλυσης) χρησιμοποιείται για τη πλήρωση με υδρογόνο των φιαλών που περιέχουν μεταλλικά υδρίδια. Το αποθηκευμένο υδρογόνο των φιαλών τροφοδοτεί την κυψέλη καυσίμου τύπου PEM. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από το αποθηκευμένο υδρογόνο καλύπτει τις ανάγκες φορτίου τις ώρες αιχμής. Ως εξομοιωτής φορτίου χρησιμοποιήθηκε ρυθμιζόμενη ωμική αντίσταση ισχύος.
Συγκεκριμένα στο 1° κεφάλαιο, «Τεχνολογία ΑΠΕ», γίνεται μία γενική αναφορά γύρω από τη διεσπαρμένη παραγωγή, τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) και το έντονο ενδιαφέρον που έχει παρατηρηθεί τα τελευταία χρόνια παγκοσμίως σε αυτόν τον τομέα. Εξετάζονται οι χρήσεις τους, τα πλεονεκτήματα - μειονεκτήματά τους και η κατάσταση που επικρατεί. Επίσης, παρουσιάζονται οι αρνητικές επιπτώσεις από τη καύση των υδρογονανθράκων, που αποτελούν κύρια πηγή ενέργειας τη σημερινή εποχή.
Στο 2ο κεφάλαιο, «Ενέργεια υδρογόνου», γίνεται αρχικά μια σύντομη αναφορά στις ιδιότητες του υδρογόνου όσο και στις τεχνολογίες για την παραγωγή του, δίνοντας έμφαση στην παρασκευή μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού, αφού αυτή η μέθοδος θα χρησιμοποιηθεί. Στη συνέχεια γίνεται παρουσίαση των τρόπων μεταφοράς-διανομής και σύγκριση του υδρογόνου έναντι άλλων συμβατικών πηγών ενέργειας. Τέλος εξετάζονται οι κίνδυνοι που ενέχει ως καύσιμο και τα πλεονεκτήματα του έναντι των μπαταριών ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας.
Στο 3ο κεφάλαιο, «Αποθήκευση του υδρογόνου», γίνεται αναφορά σε όλες τις τεχνολογίες αποθήκευσης και δέσμευσης του υδρογόνου, όπως υγροποίηση σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, αποθήκευση σε δοχεία υπό υψηλή πίεση και με εισχώρηση σε μεταλλικά υδρίδια. Συγκεκριμένα αναλύεται η χρήση προηγμένων υλικών (μεταλλικά υδρίδια) που είναι το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας.
Στο 4ο κεφάλαιο, «Κυψέλες καυσίμου», παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου. Ακολουθεί η διάκριση ανάλογα με τον τύπο του ηλεκτρολύτη που διαθέτουν καθώς και σύγκριση όλων των τύπων. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στην εμπορευματοποίησή τους ανάλογα τον τύπο τους και τέλος παρουσιάζονται οι εφαρμογές τους στη βιομηχανία.
Στο 5ο κεφάλαιο, «Αυτόνομο υβριδικό υπό μελέτη σύστημα», γίνεται μια εισαγωγή στα υβριδικά συστήματα παραγωγής ενέργειας και στη συνέχεια ακολουθεί μια πιο λεπτομερής περιγραφή στα κύρια στοιχεία του συστήματος (γεννήτρια υδρογόνου, κυψέλη καυσίμου, αντίσταση φορτίου, φιάλες αποθήκευσης υδρογόνου και εναλλάκτης θερμότητας) που χρησιμοποιήθηκαν για τις ανάγκες της εργασίας. Παρακάτω περιγράφεται συνοπτικά η αρχή λειτουργίας ενός τέτοιου υβριδικού συστήματος. Εάν τα φωτοβολταϊκά και η ανεμογεννήτρια παράγουν αρκετή ισχύ, το σύστημα υποστηρίζεται εξολοκλήρου από αυτά. Στην περίπτωση που η ισχύς εξόδου τους ξεπερνάει την επιθυμητή, η πλεονάζουσα ισχύς μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή Υδρογόνου, το οποίο μπορεί να αποθηκευτεί και να χρησιμοποιηθεί όταν υπάρξει ανάγκη, στις κυψελίδες καυσίμου. Σε περίπτωση χαμηλού ανέμου και ηλιοφάνειας, ένα μέρος της ισχύος μπορεί να συμπληρωθεί από την ενέργεια που προέρχεται από τις κυψελίδες καυσίμου. Προφανώς, σε τέτοια υβριδικά συστήματα ανεμογεννητριών φωτοβολταϊκών - κυψελίδων καυσίμου, σαν αυτά που μελετώνται στην παρούσα εργασία, οι κυψελίδες καυσίμου λειτουργούν με μεταβλητό ρεύμα. Τέτοιες κυψελίδες καυσίμου, ακόμα δεν διατίθενται στο εμπόριο.
Στο τελικό στάδιο της Διπλωματικής εργασίας και συγκεκριμένα στο 6ο κεφάλαιο, «Επεξεργασία πειραματικών μετρήσεων», υπάρχουν τα αποτελέσματα των μετρήσεων με σχηματικές απεικονίσεις και ερμηνεία των διαγραμμάτων που προέκυψαν από τις πειραματικές μετρήσεις, καθώς και τα τελικά συμπεράσματα που προκύπτουν.
Κατά την διάρκεια των πειραμάτων παρατηρήθηκε ότι το μεταλλικό υδρίδιο κατά την πλήρωση του με υδρογόνου αντιδρά εξώθερμα με συνέπεια να έχουμε αύξηση θερμοκρασίας στη φιάλη (μέγιστο 43 οC). Κατά την απελευθέρωση του υδρογόνου από τη φιάλη υπάρχει ενδόθερμη αντίδραση και ελάττωση της θερμοκρασίας της φιάλης (ελάχιστο -13.2 οC). Τα κυριότερα λοιπόν προβλήματα του συστήματος που παρατηρήθηκαν είναι τα παρακάτω:
α) μεγάλες αυξομειώσεις θερμοκρασίας είχαν αρνητικές συνέπειες στην απόδοση του συστήματος
β) η μέγιστη και ελάχιστη θερμοκρασία λειτουργίας υπερβαίνουν τα όρια θερμοκρασιών ομαλής λειτουργίας. Συνεπώς κρίθηκε απαραίτητο (συστήνεται από τον κατασκευαστή) να κατασκευαστεί ένα σύστημα ψύξης (εναλλάκτης θερμότητας) των φιαλών, ώστε να έχουμε όσο το δυνατόν πιο σταθερό εύρος θερμοκρασιών λειτουργίας του συστήματος και να αποφευχθούν τα παραπάνω μειονεκτήματα. Το εύρος θερμοκρασιών που επιτεύχθηκε με το σύστημα ψύξης είναι: ελάχιστο 10.3 οC - μέγιστο 29 οC. Επιπλέον διαπιστώθηκε πως με ίδιες αρχικές συνθήκες (φορτίο, πίεση φιάλης, κλπ.) κατά την λειτουργία με τον εναλλάκτη, η κυψέλη καυσίμου παρήγαγε την ίδια ισχύ άλλα για περισσότερη ώρα. Αυτό δεν σημαίνει πως έχουμε μεγαλύτερη ποσότητα υδρογόνου στην φιάλη, άλλα σταθεροποιώντας την θερμοκρασία, επιτυγχάνεται μια πιο ομαλή λειτουργία του συστήματος και κυρίως πιο σταθερή παροχή υδρογόνου στην κυψέλη καυσίμου, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η απόδοση της. Με αυτό τον τρόπο βελτιώνεται η ταχύτητα απορρόφησης άλλα όχι και η ποσότητα του υδρογόνου που απορροφάται. / During the last years an urgent need to develop new methods for the production of renewable energy was created. The energy requirements covered by the fossil fuels, which contain carbon, result in the increase of the CO2 releases in the atmosphere, a fact that favors the greenhouse effect and acid rain. So the dependence on depletable energy sources like fossil fuels that are limited as well as the pollution of the environment, are driving forces for the development and exploitation of new alternative energies.
This thesis deals with the design, construction and implementation of an autonomous hybrid system producing hydrogen as a renewable energy source (RES), exploiting the excess energy from RES. The system includes a wind turbine and a photovoltaic generator, which are the main energy sources, while a hydrogen generator (electrolysis) is used to fill the bottles with hydrogen containing metal hydrides. The bottles of stored hydrogen feeds fuel cell type PEM. The electricity generated from the stored hydrogen meets the needs of the load during peak hours. Simulator was used as load power adjustable resistor.
Specifically, in chapter 1, "Technology RES" is a general discussion around the dispersed production, renewable energy sources (RES) and the strong interest that has been observed during the recent years worldwide in this field. As well this chapter considers the uses, advantages - and disadvantages of the situation. It also shows the negative impact from the combustion of hydrocarbons, which are the main source of energy today.
In chapter 2, "Hydrogen Energy", as a start, a short report on the properties of hydrogen and technologies for its production, and it emphasizes on the production by electrolysis of water, since this method will be used. Then we present a modal distribution of hydrogen compared to other conventional energy sources. Finally we consider the risks of fuel and its advantages over batteries as energy storage is medium.
In chapter 3, "Hydrogen Storage" we refer to all storage technologies and hydrogen binding as liquefaction at very low temperatures, storage containers under high pressure and penetration in metal hydrides. It specifically analyzes the use of advanced materials (metal hydrides) which is the subject of this thesis.
In chapter 4, "Fuel Cells" the principle for the operation of fuel cells is presented. Here a distinction is made according to the type of electrolyte and features as well as comparison of all types. Then we refer to the commercialization according to their type and finally present their applications in industry.
In chapter 5, "Autonomous hybrid system under study" we introduce to hybrid power systems, followed by a more detailed description of the main elements of the system (hydrogen generator, fuel cell, load resistance, hydrogen storage cylinders and heat exchangers) used for the needs of the job. After that, it summarizes the operating principle of such a hybrid system. If the solar panels and wind turbines generate enough power, the system is supported entirely by them. If the output power exceeds the desired, the excess power can be used to produce hydrogen, which can be stored and used when there is need, in fuel cells. In case of low wind and sunshine, a place of power may be supplemented by the energy from the fuel cells. Obviously, in such hybrid systems, solar wind - fuel cells, such as those studied in this paper, fuel cells operate at variable current. Such fuel cells, is not yet commercially available.
In the final stage of the thesis and specifically in Chapter 6, "Processing experimental measurements", we present the results of measurements with the maps and interpretation of charts derived from experimental measurements, and the final conclusions drawn.
During the experiments it was observed that the metal hydride during the filling with hydrogen reacts exothermically with the result to have an increase in temperature in the flask (43 ° C maximum). The release of hydrogen from the bottle is an endothermic reaction and it reduces the temperature of the bottle (minimum -13.2 ° C). So the main problems of the system observed are:
a) The large temperature fluctuations had a negative impact on system performance
b) The maximum and minimum operating temperatures exceed the temperature limits of normal operation. It was therefore necessary (recommended by manufacturer) to construct a cooling system (heat exchanger) for the bottles in order to have as far as possible stable operating range of the system and to avoid the above disadvantages. The temperature ranges that were achieved with the cooling system are: minimum 10.3 ° C and maximum 29 ° C. Furthermore it was found that with the same initial conditions (load, pressure bottle, etc.) during operation with the alternator, the fuel cell produced the same effect but for longer. This does not mean that we have a greater amount of hydrogen in the bottle, but by stabilizing the temperature, a more smooth operation of the system and especially more stable supply of hydrogen in the fuel cell is achieved, thereby increasing the performance. In this way, we improve the rate of absorption but not the amount of hydrogen absorbed.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/6590 |
| Date | 27 January 2014 |
| Creators | Βέλος, Κωνσταντίνος |
| Contributors | Πυργιώτης, Ελευθερία, Belos, Konstantinos, Αλεξανδρίδης, Αντώνιος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 12 |
Page generated in 0.0034 seconds