Biomasa na mnoho způsobů

Existuje mnoho způsobů, jak přeměnit biomasu na elektřinu. Můžeme ji spalovat, fermentovat nebo zplyňovat. Výsledné produkty lze využít v parních turbínách, plynových motorech nebo v palivových článcích.

Každý způsob má své výhody a nevýhody. Mnohé z metod jsou dobře prozkoumány, jiné jsou však teprve v počátcích svého vývoje. To se týká i palivových článků v rámci projektu ProBio.

Palivové články jsou vlastně malé elektrárny, které chemickou energii přeměňují na elektrickou. Ze všech energetických konvertorů, které jsou dnes k dispozici, jsou to právě palivové články, které slibují až téměř 50% účinnost. Dnes tyto palivové články pracují na bázi zemního plynu, metanolu nebo čistého vodíku. Pokud se podaří vyřešit všechny problémy v rámci projektu ProBio, budeme mít k dispozici i čistý vodík z biomasy.

Na projektu pracují již tři roky vědci z Ústavu Maxe Plancka pro dynamiku komplexních technických systémů v Magdeburgu ve spolupráci s Fraunhoferovým ústavem pro provoz továren a automatizaci IFF a Fraunhoferovým ústavem pro keramické technologie a systémy IKTS. Snaží se vyvinout metodu výroby elektřiny z biomasy na bázi palivových článků SOFC a PEM v elektrárně s kombinovaným cyklem.

Problémy existují, ale jsou řešitelné

Pokud jde o zpracování biomasy, nejdou němečtí výzkumníci tou nejjednodušší cestou – spalováním a použitím uvolněného tepla k výrobě elektřiny. Potenciál prostého spalování byl již vyčerpán. Tento proces naráží na zákony termodynamiky a žádnými technickými triky jej nemůžeme změnit. Rovněž fermentace, kdy mikroorganismy rozkládají biomasu bez přítomnosti kyslíku, má při přeměně na plyn své nevýhody. Surovina, například dřevo nebo sláma, obsahuje velký podíl lignocelulózy, se kterou si bakterie při trávení moc nevědí rady. Navíc jde o pomalý proces, který nelze urychlovat. Další metodou je zplyňování – spočívá ve vysokoteplotní přeměně biomasy na částečně spalitelný plyn, který obsahuje mnohé vysoce energetické komponenty, jako je vodík, oxid uhelnatý a uhlovodíky s krátkým řetězcem.

Srdcem je fluidní lože

Sasha Thomas, koordinátor projektu ProBio ze společnosti Fraunhofer IFF, zdokonalil v rámci projektu zplyňovací pec s fluidním ložem, která představuje srdce projektu. Zplyňovací činidlo, například pára, se přivádí do zařízení zespodu. Zde se setkává s vrstvou písku o takové zrnitosti, která umožňuje vznos biomasy, což zajišťuje stejnoměrnou teplotu spalování a koncentraci v reakční zóně.

Tato technologie byla vynalezena již ve 20. letech 20. století k výrobě syntetického plynu z uhlí. Po nástupu ropného průmyslu byla odsunuta na okraj zájmu. Uhlí má oproti biomase ovšem jednu výhodu – má stále stejný obsah uhlíku, kdežto složení biomasy se u každého jejího druhu liší.

Vedle laboratorního zplynovače jsou umístěny skleněné baňky obsahující dřevěné pelety, slámu z řepky olejné a z jiných druhů biomasy. Každá ze substancí se spaluje při použití různých zplynovacích činidel, a to při různých teplotách a době hoření ve fluidním loži. Složení plynu se stále mění – záleží například na stáří dřeva, způsobu skladování, na ročním období, ap. Biomasa představuje komplexní kompozitní směs, což zpestřuje celý projekt.

Jak odbarvit plyn

V ideálním případě by z Thomasovy pece měla odcházet bezbarvá směs vodíku a oxidu uhelnatého. Vznikající plyn má ale často nažloutlé zbarvení, protože obsahuje dehet, prach a sloučeniny halogenů a síry. Všechny tyto nečistoty škodí elektrodám palivových článků a musí být z plynu odstraněny. Proto se do plynu vstřikuje voda, která plyn ochladí na pokojovou teplotu a veškeré nečistoty odplaví. Výsledkem je studený plyn a vlažná voda. Problémem je, že pro následné procesy je nutné plyn opět ohřát na teplotu 800 °C až 850 °C.

Při použití jiné metody plyn prochází přes keramické korálky, na něž se nečistoty přilepí. Katalyticky aktivní vrstvy současně přemění nežádoucí dehtové sloučeniny na dodatečné plynné palivo, takže se zvýší energetický obsah plynu. Halogeny a síra se odstraňují pomocí kovových oxidů, které reagují s toxickými složkami za vysokých teplot. Výsledným produktem je plyn obsahující čistý vodík a velké množství oxidu uhelnatého. Ten může být jak přínosem, tak může škodit, a to v závislosti na druhu palivového článku.

Solid Oxide Fuel Cells a Polymer Electrolyte Membrane

Vysokoteplotní palivové články typu SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) jsou robustní energetické konvertory, které mohou využít jakékoliv palivo. Mají keramické elektrody fungující při teplotě kolem 800 °C a mohou dokonce vyrábět elektřinu i s pomocí oxidu uhelnatého. Tyto články pracují nejlépe při konstantním zatížení po dobu 24 hodin a nemají rády náhlé změny poptávky po elektřině. Teplota uvnitř článku musí zůstat v určitém rozsahu a jakákoliv změna zatížení mění teplotní profil a palivový článek poškozuje. Dosažení provozní teploty palivových článků trvá několik hodin až dní.

U nízkoteplotních palivových článků typu PEM (Polymer Electrolyte Membrane) je situace jiná. Tyto články jsou sice flexibilní, ale velmi citlivé Elektrolyt se skládá z polymerové membrány a jeho teplota by neměla přesáhnout 80 °C. Výhodnou je, že se výkon článku může adaptovat na měnící se poptávku po elektřině v rámci časového horizontu jedné hodiny nebo dokonce jen minuty. Tyto palivové články ale nedokáží využít oxid uhelnatý, takže při jeho vyšší koncentraci výkon prudce klesá. Proto je nutné oxid uhelnatý z plynu odstranit (v plynu ho může být do 20 %).

Zavolali na pomoc rez

Vědci se snažili vyřešit problém s pomocí načervenalého oxidu železitého – rzi. Když plyn o teplotě 800 °C proudí přes práškovou rez, uvolňuje se část atomů kyslíku a vzniká oxid uhličitý. Ten není pro nízkoteplotní palivové články PEM škodlivý. Problém to ale zcela neřeší, protože se přes veškeré úsilí nepodařilo oxid uhelnatý odstranit beze zbytku a pro palivové články PEM ho bylo ještě stále mnoho. Navíc, oxid železitý rovněž přeměňuje potřebný vodík na vodu. Přesto se ukázalo, že tento prášek je velmi užitečný. Poté, co zreagoval s oxidem uhelnatým, ochotně přijímá ze svého okolí atomy kyslíku. Za jejich zdroj může posloužit třeba pára. Když pára přijde do styku s ochuzeným oxidem železa, prášek získává kyslík z molekuly vody. Díky tomu vzniká čistý vodík a ten je pro nízkoteplotní palivové články ideálním palivem. Zjistilo se, že tato metoda by byla velmi vhodná i pro separaci plynu. Když plyn proudí přes oxidy železa, vzniká v první fázi plyn, který může využít vysokoteplotní palivový článek. Ve druhé fázi při použití páry vzniká čistý vodík, který je zase vhodný pro nízkoteplotní palivové články.

Co zbývá vymyslet

Dokončení celého projektu si vyžádá ještě mnoho úsilí. Prášek z čistého oxidu železitého vydrží pracovat jen malý počet cyklů, pak začne množství získávaného vodíku rychle klesat. Proto se zkoušejí prášky o jiném složení. Mnohé z nich obsahují jen částice červeného oxidu železitého o různé zrnitosti pohybující se od jedné desetiny až po pět desetin milimetru. Jiné vzorky obsahují také příměsi oxidu hlinitého nebo oxidu křemičitého. Nejčastějším aditivem je ale oxid ceričitý‑zirkoničitý. Velká pozornost se věnuje tomu, aby byl materiál stabilní a mohl se používat dlouhodobě, tj. aby vydržel tisíc plynových a parních cyklů.

V průběhu projektových prací výzkumníci studovali více než stovku variant a dospěli k závěru, že se v podstatě bude jednat o druh elektrárny s kombinovaným cyklem. V elektrárně budou totiž paralelně optimálním způsobem pracovat oba typy palivových článků. Elektrárna bude poskytovat jak vysoce čistý, tak i méně čistý proud plynu, bude moci být provozována jak v základním zatížení, tak ve špičkách a navíc bude využívat i odpadní teplo. Předpokládá se, že energetická účinnost dosáhne téměř 50 % oproti 35% účinnosti plynového motoru s vnitřním spalováním v běžných elektrárnách na biomasu.

Projekt dosud stál 4,2 miliony EUR a jeho autoři plánují výstavbu pilotní elektrárny v Magdeburgu.

Podle: Alexander Shirn: Electricity from bits of wood. Max Planck Research, 3/2010, s. 24‑29.

Odkazy:

Zdrojový článek:
http://www.mpg.de/790406/F002_Focus_024‑029.pdf

Wiki o Solid Oxide Fuel Cells:
http://en.wikipedia.org/wiki/Solid_oxide_fuel_cell

Wiki o Polymer Electrolyte Membrane:
http://en.wikipedia.org/wiki/Proton_exchange_membrane

Zkrácený překlad