Általános háttér és kategóriák
Az angol nyelvű szakirodalom sokszor a „stationary fuel cells” vagy „stationary fuel cell power” kifejezést használja a helyhez kötött és energiatermelési céllal létesített berendezésekre, amit a magyar nyelvben leginkább a „telepített” (energiatermelő) tüzelőanyag-cellás (TC) rendszerek fordítással adhatunk vissza. A telepített TC rendszereken belül lehetnek:
- elsődleges célú energiatermelő alkalmazások – ezen belül léteznek csak villamos energiatermelésre, vagy kapcsolt (CHP) energiatermelésre, illetve újabban hármas energiatermelésre (CHHP, Combined Heat, Hydrogen & Power) szolgáló technológiák
- szünetmentes (UPS), illetve vészhelyzeti energiaellátást biztosító telepített berendezések.
Kapacitás szempontjából ma már igen sokféle telepített, energiatermelő TC érhető el. Nem hivatalos osztályozás szerint az alábbi fő kategóriák léteznek, de természetesen kialakíthatók köztes teljesítmények, illetve a moduláris felépítésnek köszönhetően szinte tetszőleges teljesítményű rendszerek létesíthetők:
- a háztartási („domestic”) léptékű tüzelőanyag-cellás rendszerek: ~0,3 – 5 kWe,
- kereskedelmi/ ipari („commercial/industrial scale”) léptékű tüzelőanyag-cellás rendszerek: ~100 – 500 kWe,
- közmű („utility scale”) léptékű tüzelőanyag-cellás rendszerek: ~1 MWe-től több tíz MWe teljesítményig. A jelenleg működő legnagyobb tüzelőanyag-cellás rendszer 59 MWe kapacitású. Dél-Koreában működik és 2,8 MW egységteljesítményű MCFC tüzelőanyag-cella kötegekből, azaz stack-ekből épül fel.
A megadott teljesítménytartományok egyben azt is jelentik, hogy a telepített tüzelőanyag-cellák a decentralizált („distributed”) energiatermelés fontos részét képezik, illetve mikro-hálózatokban, okos hálózatokban is fontos szerepet játszhatnak.
Alkalmazott típusok és üzemanyagok
A telepített tüzelőanyag-cellás rendszerek leginkább SOFC, MCFC típusú tüzelőanyag-cellákat alkalmaznak, de gyakori a PAFC típus, illetve kisebb teljesítmény-tartományban a PEM típus is. A SOFC és az MCFC magas hőmérsékleten (t>600-800oC) üzemelő tüzelőanyag-cella, ezért kogenerációs energiatermelésre ideálisak. A jellemzően alacsony hőmérsékleten működő PEM-cella szintén alkalmas kogenerációs energiatermelésre, de csak kis teljesítmény, például háztartási méretekben. A következő ábra a nagyobb teljesítményű (200 kW feletti), azaz ipari és közmű léptékű tüzelőanyag-cellás rendszerek kumulált beépített teljesítményét mutatja időrendben. Az ábrát kiegészítendő meg kell jegyezni, hogy a nagy teljesítményű rendszerek közt alulreprezentált a PEM típusú tüzelőanyag-cella, amely a háztartási léptékű (1-2 kWe), telepített rendszerekben kifejezetten nagy arányt képvisel. Japánban a háztartási léptékű tüzelőanyag-cellák piacán már kb. 250 ezer PEM típusú rendszert értékesítettek. A kis egységteljesítménynek köszönhetően azonban ezek MW-ban kifejezett aránya nem látványos. Ugyanakkor a darabszámban mért értékesítést a PEM típus magasan vezeti (lásd a tüzelőanyag-cellák fejezetben).
Üzemanyagukat tekintve a telepített tüzelőanyag-cellák – típustól függően – tiszta hidrogénnel, biogázzal, földgázzal vagy esetleg más szénhidrogénnel képesek működni. Minden tüzelőanyag-cella típusnak megvan a maga előnye és hátránya, amelyek a tényleges alkalmazási területüket meghatározzák. A PEM TC-k például nagy tisztaságú hidrogént igényelnek és alacsony működési hőmérsékletüknek köszönhetően csak viszonylag alacsony hőfokszinten tudnak hőt szolgáltatni, amennyiben CHP üzemmódra van szükség. A PEM TC-k ugyanakkor képesek a gyors, gyakori teljesítményváltozások lekövetésére is. Az SOFC tüzelőanyag-cellák viszont igen magas elektromos hatásfokot nyújtanak és magas hőfokszintű hőt képesek szolgáltatni. Üzemanyagként a földgázt is hasznosítani tudják, de hosszú indítási időt igényelnek és a terhelésváltozásokat is csak lassan képesek követni.
Itt nem tárgyaljuk részletesen, de megemlítjük, hogy a „mobilitási” szektorból a tengerhajózásban használt, nagyméretű hajók gyártói is komolyan érdeklődnek az itt felsorolt, magas hőmérsékletű tüzelőanyag-cellás rendszerek iránt. Az egyes TC típusok és azok felhasználási területei (telepített vs. mobil alkalmazások) tehát nem különíthetők el élesen egymástól. A fenti leírásban vázolt kategorizálás is inkább csak a könnyebb tájékozódást hivatott szolgálni.
Előnyök energetikai, valamint környezet- és klímavédelmi szempontból
A lényeges előnyök a telepített tüzelőanyag-cellás rendszerek esetében is a jobb rendszerszintű energiahatékonyság, a kisebb primerenergia-fogyasztás, valamint a környezet- és klímavédelem területén jelentkeznek. Ez utóbbiak a kisebb fajlagos CO2 kibocsátásban és a hagyományos légszennyező anyagok (pl. NOx, részecske) alacsonyabb kibocsátásában mutatkoznak meg. Egyebek mellett ezt is alátámasztják az itt közölt képi illusztrációk, amelyek bizonyítják, hogy az alacsony kibocsátással üzemelő, decentralizált energiatermelés telepített tüzelőanyag-cellákkal, akár nagyvárosi környezetben, vagy egy kórház udvarán is megvalósítható, akár megawatt léptékben is.
Rendszer (VER) szinten az is előnyként jelenik meg, hogy a helyben megtermelt és felhasznált villanyt nem kell az elosztói, illetve átviteli hálózaton szállítani, azaz elkerülhető a jelentős szállítási veszteség. Szintén nem elhanyagolható előny, hogy a TC alapú decentralizált energiatermeléssel a villamoshálózat-fejlesztés költsége mérsékelhető, a rendszer rugalmassága javul. A folyamatban lévő fejlesztések, demonstrációs projektek eredményeként rövidesen megjelenhet a földgáz hálózatba, eleinte csak kis mennyiségben bekevert „zöld” hidrogén. A későbbiekben ez a technológia továbbfejlődhet, és létrejöhetnek a mesterséges metánt (SNG)[1] vagy a tiszta (100%) hidrogént alkalmazó gázhálózatok. Ha sikerülne idáig eljutni, a gázhálózatok nagyfokú dekarbonizációjáról lehetne beszélni. Ehhez természetesen olyan végfelhasználói berendezések kellenek, amelyek képesek tiszta hidrogénnel, vagy hidrogént tartalmazó gázzal üzemelni. Ezek az ún. „hydrogen-ready” berendezések. A fejezetben bemutatott tüzelőanyag-cellás vagy ahhoz kapcsolódó készülékek éppen ilyenek.
Európai helyzetkép és a PACE projekt
Európa némi lemaradásban van a telepített tüzelőanyag-cellás rendszerek terén. Az első, 1 MWe feletti (MCFC) berendezést 2016-ban telepítették és hivatalosan 2017-ben állították üzembe a németországi Mannheimben. Ennek teljesítménye 1,4 MWe, kogenerációs üzemmódban működik és egy jelentős hő- és villamosenergia-igényű termelő cég telephelyén üzemel.
A saját háztartási TC kiserőmű – hasonlóan a napelemes rendszerekhez – lényegében „prosumer”-ré, azaz aktív fogyasztókká teszi a technológiát alkalmazókat, ami azt jelenti, hogy egyszerre fogyasztói és termelői is az energiának. A megtermelt, de fel nem használt energiát betáplálják a villamos hálózatba. Jellemzően tehát a fogyasztó a TC alapú telepített energiatermelés esetén sem válik le teljesen a villamosenergia-rendszerről. Általában az adott felhasználó villamos alapfogyasztására („baseload”) tervezik meg a telepített tüzelőanyag-cellás rendszert és a hálózati kapcsolat megmarad. Indokolt esetben, például egy hálózattól távolabbi telephelyen, vagy ahol biztonsági okokból önálló energiaellátás szükséges, akár szigetüzemű rendszer is megvalósítható.
Európában 2018-as adat szerint kb. 3.500 háztartásban, illetve vállalkozásnál alkalmaztak tüzelőanyag-cellás μCHP berendezéseket, villamos energia és hő, vagyis fűtés, valamint melegvíz előállítására. Ez lemaradást jelent Ázsia egyes országaihoz, de főként Japánhoz képest, ahol 2018-ra már kétszázezernél is több TC μCHP berendezést értékesítettek. Részben e lemaradást hivatott behozni az EU korábbi Ene.Field projektje, amely a telepített tüzelőanyag-cellák fejlesztésére, terjedésére fókuszált, illetve a jelenleg is futó, kifejezetten nagyszabású, mintegy 90 millió euró költségvetésű PACE projekt (Pathway to a Competitive European Fuel Cell micro-Cogeneration Market). Nevéből is fakadóan az egyik legfontosabb cél a telepített tüzelőanyag-cellás rendszerek bekerülési költségének jelentős csökkentése. A költségcsökkentés egyik fontos lehetősége a méretgazdaságos gyártási szint mielőbbi elérése.
A PACE projekt keretében 2021-ig legalább 2.500 tüzelőanyag-cellás egységet kívánnak telepíteni Európa 11 országában, amelyeket a következő európai projektpartnerek gyártottak: BDR Thermea, Bosch, SOLIDPower és Viessmann. Gyártói becslések szerint a jelenlegi szinthez képest, cégenként már az évi 500 darabos gyártás is kb. 30-40%-kal tudná csökkenteni a költségeket. A PACE projekt alapozó tanulmánya alapján azonban 2020 után az évi legalább tízezer darabos gyártás lenne a kívánatos. A PACE projektet a COGEN Europe (The European Association for the Promotion of Cogeneration) nevű szervezet koordinálja. Ahogy a projekt áttekintő ábráján látszik, nem csak a gyártók kapnak fontos szerepet a projektben, hanem részt vesz benne közmű cég, konzultáns cég, valamint egyetemi K+F partner (DTU: Dán Műszaki Egyetem) is.
Megjegyezzük, hogy nem csak a PACE projekt kapcsán említett négy cég TC terméke található meg a piacon, hanem – a teljesség igénye nélkül – a következő, viszonylag jól ismert cégeké is: Ceres Power, Elcore, Hexis, RBZ, SenerTec, Vaillant. Japánban a háztartási tüzelőanyag-cellás berendezéseket az Ene.Farm egységes márkanév alatt értékesítik. Itt a legkelendőbb TC fejlesztője a Panasonic-Tokyo Gas konzorcium.
A tüzelőanyag-cellás (TC) µCHP berendezések európai piacán Németország a meghatározó szereplő, de még itt is csak mintegy 1.500 ilyen típusú berendezést telepítettek 2018-ig. Egy korábbi, szövetségi szintű projekt, a Callux keretében a vásárlók állami támogatást is igénybe vehettek. Ennek mértéke az 1 kWe (villamos) teljesítményű rendszer esetében nagyjából tízezer euró volt. Más európai országokban, mint pl. Belgium, Franciaország, Nagy-Britannia, szintén hatályban vannak különböző µCHP technológiákat támogató ösztönző rendszerek, bár a szabályozási formák nem egyformák. Létezik például a kötelező átvétel, a zöld prémium, a fehér vagy zöld eredetigazolások rendszere.
Egyéb, nem tüzelőanyag-cella alapú technológiák
A telepített alkalmazások között meg kell említenünk a némileg kakukktojás, de nem tüzelőanyag-cellás technológiát alkalmazó, ugyanakkor hidrogént, vagy valamilyen arányú hidrogén-földgáz keveréket felhasználni képes („hydrogen-ready”) berendezéseket. Ezek lehetnek csak hőtermelő berendezések (pl. kazánok, esetleg sütők), vagy villamos energiát termelő berendezések, pl. hidrogén-fölgáz elegy, esetleg tiszta hidrogén égetésére képes gázturbinák. Ezek a berendezések ma még kevésbé elterjedtek, de a jövőben szintén komoly szerepük lehet. Fejlesztésük a TC-s technológiákkal párhuzamosan zajlik.
[1] SNG: synthetic natural gas: valamilyen Power-to-Gas technológiával, tiszta hidrogén és szén-dioxid reakciójából előállított metánt jelent. A szükséges hidrogént preferáltan megújuló és/vagy low-carbon alapon célszerű előállítani, a szükséges szén-dioxidot pedig valamely energiatermelő, vagy ipari folyamat füstgázából leválasztva (CCUS), hogy a folyamat minden szempontból előnyös legyen.