Studenci PWr skonstruowali stanowisko fotowoltaiczne, które wytwarza zielony wodór

Stanowisko znajduje się na terenie Instytutu Automatyki Systemów Energetycznych IASE, przy Hali Stulecia. Składa się z czterech paneli oraz części wewnętrznej, czyli szafy elektrycznej z falownikiem, dwoma akumulatorami i aparaturą pomiarową, dzięki której można śledzić w stanie rzeczywistym m.in. napięcie i natężenie prądu wytwarzane przez panele. Do stanowiska jego twórcy podłączyli także skonstruowany przez siebie układ wodorowy.

Student energetyki, członek Studenckiego Koła Naukowego "Płomień" Tomasz Rybak wskazał, że obecnie największą barierą w rozwoju instalacji OZE jest niestabilność źródeł energii i przeciążenia w sieci dystrybucyjnej.

"Możliwość wytwarzania wodoru w momentach największej produkcji energii z OZE, przy magazynowania go w bezpieczny i wydajny sposób, jest idealnym rozwiązaniem tego problemu. Dlatego jako koło zbudowaliśmy stanowisko do wytwarzania zielonego wodoru w elektrolizerze PEM (Proton Exchange Membrane), które jest zasilane energią elektryczną z paneli fotowoltaicznych" - wyjaśnił student, cytowany w komunikacie uczelni.

Jak tłumaczą konstruktorzy, konwersja energii elektrycznej na wodór w takim stanowisku odbywa się w procesie elektrolizy. Odpowiadający za nią elektrolizer PEM wyposażony jest w membranę protonowymienną z dwiema dodatkowymi elektrodami: dodatnią i ujemną.

"Ta technologia zyskuje na popularności ze względu na szybki rozruch i możliwość dynamicznych zmian obciążeń, co doskonale współpracuje ze zmiennymi źródłami OZE" - zauważył Dominik Bielecki, doktorant, który uczestniczył w pracach koła.

Składnikami potrzebnymi do procesu elektrolizy są woda destylowana i energia elektryczna.

"Woda - która składa się z dwóch cząsteczek wodoru i jednej cząsteczki tlenu - jest rozdzielana na elektrodzie dodatniej. Powstaje w ten sposób tlen, który można, ale nie trzeba magazynować, oraz dodatnie protony wodoru i elektrony. Membrana elektrolizera przepuszcza tylko protony wodoru, a ruch elektronów jest wymuszony przez zewnętrzny obwód dzięki doprowadzonej energii elektrycznej. Na elektrodzie ujemnej elektrony i protony wodoru łączą się, tworząc wodór o czystości nawet 99,999 proc., który można zmagazynować" - opisują proces młodzi inżynierowie.

Dzięki temu - jak wskazują - w momencie większego zapotrzebowania na energię elektryczną można użyć go w procesie odwrotnym do elektrolizy - co dzieje się w ogniwie paliwowym. "Efektem jest energia elektryczna, ale w mniejszej ilości niż energia, jaka jest potrzebna przy otrzymywaniu wodoru" - dodają.

"Takie układy są intensywnie rozwijane ze względu na zwiększanie niesterowalnych źródeł odnawialnej energii, przez co trzeba będzie magazynować energię w szczytach jej produkcji i wykorzystywać, gdy będą jej braki, np. w nocy lub w okresie jesienno-zimowym" - zwrócił uwagę Rybak.

Członkowie koła podkreślają, że wodór jest magazynowany w stanowisku w sposób gwarantujący bezpieczeństwo. Jest on gromadzony w butlach z wodorkami metali, co jest stabilniejsze niż magazynowanie ciśnieniowe, ze względu na brak wysokiego ciśnienia wewnątrz butli.

"Wodór jest zatłaczany pod niskim ciśnieniem do butli wypełnionej wodorkami metali, a następnie dzięki absorbcji +przyłącza+ się do materiału stałego" - powiedział Bielecki dodając, że ta metoda pozwala na uzyskanie dużej zdolności magazynowania w niewielkiej powierzchni. Członkowie koła pracują obecnie nad poszukiwaniem materiałów o właściwościach przyspieszających ten proces, ponieważ największym wyzwaniem w przypadku tej technologii jest tempo ładowania i rozładowywania magazynu.

Studenci i doktoranci budowali układ wodorowy pod okiem naukowców z Laboratorium Konwersji Energii, a same prace były możliwe dzięki grantowi z programu "Wspieramy Młodych Naukowców" prowadzonego przez Wydział Mechaniczno-Energetyczny PWr.

Teraz młodzi twórcy wykorzystują stanowisko fotowoltaiczne do prowadzenia badań sprawności paneli w zależności od naturalnych zabrudzeń, zacienienia czy ich temperatury.

"Na początku mierzyliśmy zmiany parametrów prądowo-napięciowych w czasie godziny, a następnie zdecydowaliśmy się na badania całodniowe. Wartości takie jak natężenie prądu, czy napięcie można śledzić w czasie rzeczywistym, ale pomiary temperatury i natężenia promieniowania słonecznego będą wykonywane co godzinę lub dwie. Pomiar temperatury zmierzymy przy pomocy kamery termowizyjnej, a wartość natężenia promieniowania dedykowanym miernikiem fotowoltaicznym" - wyjaśnił Rybak.

Badania wpływu zacienienia studenci będą natomiast prowadzić przez zakrywanie fragmentów paneli oraz obserwację zmian wartości napięć i natężeń prądu, a następnie wyznaczenie wartości spadków i porównanie ich z wielkościami wyznaczonymi w obliczeniach teoretycznych.

Studenci w swoim stanowisku wykorzystują dwa rodzaje paneli: typu half-cut, standardowe z białymi ramkami między ogniwami oraz full-black, które są całe czarne. Jak tłumaczył Rybak, tzw. full-blacki z racji koloru absorbują więcej promieniowania, zwiększając temperaturę paneli, ale jednocześnie zmniejsza się ich sprawność. Natomiast panele monokrystaliczne typu half-cut wyróżniają się tym, że są podzielone na dwie części przez co w niektórych przypadkach zacienienia generują więcej mocy niż panele wykonane w technologii tradycyjnej tzw. full-cell.

Z kolei badając wpływ zanieczyszczeń na panele fotowoltaiczne, studenci wybrali kilka ich rodzajów np. liście czy plamy przypominające ptasie odchody. Jeden panel z danego rodzaju będzie więc czysty, a na drugim zostanie dodane zanieczyszczenie. Potem studenci wykonają pomiary służące wyznaczeniu względnego spadku sprawności.

Po zakończeniu badań studenci i doktoranci planują przygotowanie publikacji naukowej opisującej efekty swoich analiz.