Zawirowania na rynku ropy naftowej połączone z silnym zainteresowaniem społecznym i politycznym kwestiami ochrony środowiska powodują wzrost zainteresowania alternatywnymi źródłami energii. Za jedną z bardziej obiecujących gałęzi uważa się w tej branży ogniwa paliwowe. Nie są one niczym nowym w energetyce, ale do dzisiaj nie weszły szeroko w użycie.

Parę miesięcy temu niemiecka firma MTU CFC Solutions ogłosiła, że jej ogniwo paliwowe znane pod nazwą HotModule zainstalowane w szpitalu Rhön-Klinikum w Bad Neustadt przepracowało już 21 tys. godzin. W ten sposób został pobity rekord świata w kategorii wysokotemperaturowych stacjonarnych ogniw paliwowych. Niemiecka klinika pierwsza na świecie zastosowała technologię HotModule, wykorzystując ogniwo jako generator prądu i ciepła o mocy elektrycznej 250 kW i cieplnej - 180 kW. “Zadowoleni z działania ogniwa HotModule, zdecydowaliśmy się wraz z naszymi partnerami na instalację drugiego takiego urządzenia w naszej centralnej klinice w Bad Berka w Turyngii” - informuje Joerg Demmler, szef nadzoru technicznego. Brzmi to doskonale, ale po bez mała 2,5 roku pracy trudno stwierdzić, czy to wystarczy, by ogłosić triumf ogniw paliwowych. HotModule to sygnał, że branża się rozwija, ale równocześnie informacja, że stacjonarne generatory nie są jeszcze gotowe do działania na masową skalę.

Na hasło “fuel cell” wyszukiwarka Google reaguje informacją o prawie 1,8 mln trafień. W serwisie Fuel Cell Today zarejestrowano prawie tysiąc firm i organizacji zainteresowanych rozwojem i komercjalizacją technologii. Ostatnie lata to nie notowana dotąd aktywność na polu alternatywnych źródeł energii. Wszystko to przypomina nieco początek lat 70., kiedy w wyniku kryzysu paliwowego również ruszono na poszukiwania nowych rozwiązań i również interesowano się możliwością komercyjnego zastosowania ogniw paliwowych w transporcie i energetyce (nawet z pewnymi sukcesami). Jednak pierwsze rozwiązania, które od biedy można nazwać skomercjalizowanymi, pojawiły się dopiero 20 lat później, na początku lat 90.

Kwas fosforowy
Spośród pięciu podstawowych typów ogniw paliwowych, jedynie ogniwa alkaliczne (ACF) nie budzą zainteresowania energetyki (choć pewne próby się prowadzi, więc nie warto z góry orzekać o ich całkowitej nieprzydatności). Nad pozostałymi, czyli ogniwami z kwasem fosforowym (PAFC), ze stopionymi węglanami (MCFC), polimerowymi (PEM) i stałotlenkowymi (SOFC) prace trwają. Największą karierę zrobiło w latach 90. ogniwo z kwasem fosforowym znane pod nazwą PC25. Ten kosztujący ok. 900 tys. USD moduł miał moc elektryczną 200 kW i cieplną ok. 250 kW, a zasilany był gazem ziemnym wysokometanowym. Specjalnie do jego zbudowania, obsługi i wprowadzenia na rynek powołano ONSI - wspólny projekt amerykańskiej firmy International Fuel Cells (dzisiaj pod nazwą UTC Fuel Cells) i japońskiej Toshiby.

Legendy (a za nimi wiele źródeł) głoszą, że pierwszą lokalną elektrownię z PC25 zainstalowano w jednym z wieżowców na Manhattanie. Jednak ta inwestycja została przerwana po interwencji nowojorskiej straży pożarnej, która zablokowała prace, głównie z powodów natury prawnej - brakowało odpowiednich regulacji dla urządzeń zasilanych wodorem. Pierwsze wdrożenie miało miejsce w 1991 r., także w Nowym Jorku, a klientem była tym razem policja. Jednak największe przedsięwzięcie związane z modułami fosforowymi PC25 przeprowadzono w Japonii. Dzięki ogniwom, początkowo produkowanym w Stanach Zjednoczonych, a następnie już w Kraju Kwitnącej Wiśni uruchomiono pierwszą wirtualną elektrownię złożoną z wielu modułów o mocy 11 MW (największą tego rodzaju elektrownię na świecie). Doświadczenia zebrane podczas jej pracy pokazały, że urządzenie może działać, rozpoczęto więc produkcję na nieco większą skalę.

Ogniwo fosforowe PC25 ma sprawność elektryczną rzędu 40 proc., natomiast po odliczeniu strat energii występujących przy konwersji w reformerze uzyskiwana sprawność w kogeneracji to ok. 80-90 proc. Dodatkową okazję do testów dla stacjonarnych generatorów fosforowych stworzyły zakupy armii amerykańskiej, która zdecydowała się kupić i wypróbować 30 jednostek. Dzięki temu poszerzono wiedzę o działaniu PC25 w różnych warunkach, od Kalifornii po Alaskę, i chociaż nie obyło się bez niepowodzeń, efekt był satysfakcjonujący. Może dlatego, jak stwierdza prof. Piotr Tomczyk z Wydziału Paliw i Energii AGH, skonstruowany na początku lat 90. generator stacjonarny PC25, pierwsze skomercjalizowane urządzenie tego rodzaju, wciąż pozostaje najtańszym gotowym generatorem.

PC25 nie skończył swego żywota: przeistoczył się niedawno w PureCell 200, a rozprowadza go UTC Power - jednostka wchodząca w skład firmy United Technologies Corporation. Od 1991 r. sprzedano ok. 270 egzemplarzy urządzenia w 19 krajach na świecie (od oczyszczalni ścieków w Portland po centrum naukowe w Japonii). Niewątpliwą zaletą ogniw paliwowych jest eliminacja ogromnych ilości emitowanych gazów - tlenków azotu, tlenków siarki, węglowodorów i dwutlenku węgla.

Stopione węglany
Pomimo pewnego sukcesu ogniw paliwowych PAFC firmy, uczelnie i organizacje na całym świecie angażują się w prace nad pozostałymi rodzajami generatorów stacjonarnych. Ogniwa ze stopionymi węglanami przeszły swój pierwszy wielki test w latach 1996-1997 w Santa Clara w USA, gdzie firma Energy Research Corp. (dzisiaj znana jako FuelCell Energy) zainstalowała duże urządzenie o mocy elektrycznej 2 MW (ogniwo ERC Direct FuelCell). W trakcie pracy moduł zachowywał się dobrze, jednak po jakimś czasie doszło do awarii (nastąpiło przy napięciu kilkuset wolt zwarcie przez izolację termiczną) i w efekcie pożaru, w którym spłonął generator. Dalsze testy prowadzono na odbudowanej wersji o mniejszej mocy 1 MW.

Dalszy rozwój działań nad komercyjnymi zastosowaniami dużych ogniw paliwowych wyznaczały przede wszystkim Japonia i Stany Zjednoczone. W Japonii przez jakiś czas mocno wspierano prace węglanowe ogniwa paliwowe. Japończycy bardzo dokładnie testowali w latach 1998-1999 rozwiązania ze stopionymi węglanami w kompleksowym systemie o mocy 1MW złożonym z czterech generatorów. Efekty były pozytywne, ale - podobnie jak w przypadku ogniw z kwasem fosforowym - pojawiły się pewne problemy techniczne, a ogniwa zachowywały się kapryśnie.

Badaniami zajmowały się tym przede wszystkim: tokijska Ishikawajima-Harima Heavy Industries (IHI), a także Hitachi, Toshiba i kilka mniejszych firm. Budowano generatory stacjonarne o mocy elektrycznej 250 kW, pracujące w temperaturze 650 st. C, z elektrolitem płynnym. Właśnie elektrolit, ze względu na swe niezwykłe działanie korozyjne, był przyczyną istotnych problemów technologicznych: rozpuszczał prawie wszystko, łącznie z platyną. Opierały mu się w miarę jedynie niektóre metale szlachetne (głównie złoto) oraz materiały ceramiczne, przy czym odporność nie była stuprocentowa i po jakimś czasie dochodziło do korozji. Czas życia ogniwa stał się podstawowym problemem.

Od tego czasu na rynku ogniw MCFC prym wiodą dwie firmy: japoński koncern IHI oraz amerykańska FuelCell Energy. Nie należy też zapominać o ważnym wkładzie europejskim - włoska firma Ansaldo chce uruchomić budowę ogniw o mocy elektrycznej od 500 kW do 5 MW (choć trudno powiedzieć, jakie są szanse na sukces), natomiast niemiecka MTU CFC Solutions sprzedaje bardzo sprytnie wykonany, o uproszczonym systemie zasilania i niezawodny HotModule. HotModule powstał przy udziale FuelCell Energy i - jak wskazują doświadczenia z kliniki w Bad Neustadt - ma spore perspektywy.

Ogniwa stałotlenkowe
Kolejną nadzieją energetyki mają być ogniwa stałotlenkowe. Generatory SOFC konstruuje się w dwóch wersjach: o geometrii płaskiej oraz geometrii rurowej. Pierwszą wersję testowano na Uniwersytecie Toronto, jednak po 1000 godzin pracy modułu o mocy 250 kW pojawiły się problemy. Dlatego na razie projekt został porzucony. Nadzieję budzi drugi wariant ogniw SOFC: ma mieć większą gęstość energii (o 30-40 proc.) i być bardziej niezawodny. Nowe generatory tego typu pojawią się w przyszłym roku.

Pracami nad ogniwami stałotlenkowymi zajmują się firmy Sulzer Hexis w Europie i Global Thermoelectric w Kanadzie, ale najbardziej zaawansowany technicznie wydaje się być Siemens Westinghouse, który praktycznie zmonopolizował rynek ogniw o geometrii rurowej. koncern na przełomie wieków testował w Holandii ogniwa kogeneracyjnego o mocy 100 kW. Testy trwały półtora roku z bardzo dobrymi rezultatami (ogniwo mogło pracować w dalszym ciągu po okresie testowym), osiągając sprawność elektryczną rzędu 45-47 proc. i praktycznie nie tracąc wydajności wraz z upływem czasu. Siemens Westinghouse buduje także ogniwa o mocach 220 i 300 kW, w których wykorzystuje ciepło odpadowe za pomocą turbin gazowych. Sprawność ogniw rośnie wraz z ciśnieniem i sięga 60 proc., a nowe analizy wykazują, że możliwe jest jej podniesienie do 70 proc. Taka sprawność dla klasycznej elektrowni jest nie do pobicia. Dodatkowa zaleta to stosunkowo niewielkie rozmiary generatora, pozwalające na zastosowanie go np. do zasilania osiedli domków jednorodzinnych.

Polimery
Ogniwa polimerowe są ogniwami niskotemperaturowymi i przede wszystkim próbuje się je zastosować do samochodów. Jednak podejmuje się też próby w branży energetycznej. Liderem jest w tej dziedzinie firma Ballard, która zbudowała PEM-y o mocy 250 kW, rozprowadziła po wszystkich kontynentach i testuje ich zachowanie. Ogniwo jest piekielnie drogie - kosztuje ok. 4 mln euro, lecz ma to rekompensować wysoka trwałość. Gorzej natomiast ze sprawnością. Wynosi ona nieco poniżej 40 proc. (ze względu na straty energii charakterystyczne dla ogniw niskotemperaturowych). W tej sytuacji rodzi się pytanie o opłacalność przedsięwzięcia: czy takie rozwiązanie będzie mogło rywalizować z tradycyjnymi elektrowniami, których sprawność, przynajmniej w Zachodniej Europie, to ok. 48 proc.

Energetyka rozproszona
Na innym poletku energetyki pojawiają się małe generatory stacjonarne, czyli ogniwa o mocy mniejszej od 100 lub od 50 kW, zależnie od różnych klasyfikacji. Tego rodzaju generatory przeznacza się przede wszystkim do użytku domowego. Dwa podstawowe typy to grzewcze ogniwa paliwowe (nazwa wymyślona przez firmę Vaillant) zasilające w energię elektryczną i ciepło oraz podtrzymujące zasilanie UPS-y.

Grzewczymi ogniwami paliwowymi interesują się praktycznie wszystkie firmy zajmujące się kotłami grzewczymi, takie jak Viessmann i Vaillant, choć z doskoku pojawiają się także inne, np. General Motors. Współpracujący z firmą Plug Power Vaillant wydaje się być najbardziej zaawansowany w swych poczynaniach. Zaprezentował już takie ogniwo polimerowe zasilane metanem o mocy elektrycznej 5 kW i cieplnej 15 kW. Cena nie jest dokładnie określona, ale można mówić o poziomie kilkudziesięciu tysięcy euro. Trwają testy takiej wirtualnej elektrociepłowni prowadzone na 31 urządzeniach zainstalowanych w domach kilku krajów europejskich i połączonych wzajemnie poprzez centrum sterowania.
Natomiast UPS to już rzeczywistość: urządzenia o mocy kilku kilowatów są już dostępne. Na rynku króluje firma Ballard Power Systems z przenośnym AirGenem o mocy 1kW, do kupienia za jedyne 6500 USD) i serią urządzeń Nexa (moc 1,5 kW). Nexa została uznana w USA energetycznym produktem roku 2004.

Paliwo...
Ważnym problemem w pracy ogniw paliwowych jest kwestia pozyskiwania wodoru, czy raczej kosztów jego pozyskania. Najtaniej uzyskiwać wodór przez reforming metanu, inne metody, jak zgazowanie węgla czy zgazowanie biomasy są droższe (koszty rosną w podanej kolejności), natomiast metoda elektrolizy to zabawa droższa już o rząd wielkości (stosunkowo najtaniej korzystając z energii hydroelektrowni, drożej w przypadku elektrowni wiatrowych, a jeszcze drożej z fotowoltaicznych). Wciąż pojawiają się nowe opracowania pomysłów na niekonwencjonalne pozyskiwanie wodoru, jednak na razie są niezwykle kosztowne. Bywa jednak, że niektóre z nich, jak fotolizę, czyli elektrolizę wspomaganą światłem, wykorzystuje się pomocniczo, by wykorzystać nadwyżki niemożliwej do zmagazynowania energii. Stosunkowo nową koncepcją jest produkcja wodoru z wykorzystaniem glonów poprzez modyfikację procesu fotosyntezy. Bez względu jednak na metody produkcji wodoru, trzeba zdawać sobie sprawę, że zasoby naturalne czy produkcja biomasy są niewystarczające do zaspokojenia globalnych potrzeb energetycznych.

... i inne problemy
Generalnie sytuacja ogniw paliwowych w energetyce to sytuacja przejściowa. W zasadzie za komercyjne można uznać rozwiązanie z kwasem fosforowym (przede wszystkim PureCell 200), ogniwa ze stopionymi węglanami już osiągnęły granicę komercjalizacji, a PEM i SOFC do niej dochodzą. Zatem jedno rozwiązanie skomercjalizowano, natomiast mnóstwo innych to prototypy i rozwiązania balansujące na krawędzi wdrożenia. Wciąż poważnym problemem jest czas życia modułów. Niezwykle kosztowna jest eksploatacja (ze względu na ogromną cenę). Sytuacja się poprawi dopiero po wdrożeniu masowej produkcji. Nie można też zapominać o konkurencji ze strony tradycyjnych elektrowni dysponujących stabilną technologią i trwałymi urządzeniami, które będą się długo bronić.

Szanse
Generatory stacjonarne swój przyczółek mogą znaleźć w zastosowaniach specjalnych, tam gdzie potrzebna jest kogeneracja ciepła i energii elektrycznej, tam gdzie zasilanie jest niezbędne w każdej chwili (szpitale, budynki rządowe, wielkie biurowce, wojsko itp.). Dalszy rozwój ogniw uzależniony jest od rozwoju ekonomii wodorowej. Zdaniem prof. Piotra Tomczyka, jeżeli ogniwa paliwowe uczynią znaczący postęp, to natychmiast dadzą impuls rozwojowy innym technologiom. I odwrotnie: jeżeli się znajdzie rewelacyjne rozwiązanie do wytwarzania, dystrybucji i magazynowania wodoru, to oczywiście będzie ono dawało kolejny impuls do rozwoju ogniw paliwowych. Te rzeczy są ze sobą ściśle powiązane.

Pieniądze
Z problemem kosztów podejmuje się walkę za pomocą wspierania finansowego przedsięwzięć na rzecz rozwoju technologii ogniw paliwowych. Wspomniany projekt firmy Vaillant jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach V Ramowego Programu Badań i Rozwoju Komisji Europejskiej. W USA i Japonii na tego rodzaju przedsięwzięcia wydawane są dziesiątki milionów dolarów. Departament Energii USA postawił ambitny cel: do końca dekady obniżyć koszt produkcji 1 kW energii elektrycznej do 400 USD. W latach 60. i 70. ubiegłego wieku 1 kW kosztował ok. 600 tys. USD, a dzisiaj to ok. 4500 USD (dla porównania, koszt 1 kW z generatora diesla wynosi w Ameryce od 800 do 1500 USD).

Duże stacjonarne ogniwa paliwowe wydają się być całkiem interesującym rynkiem. Pozytywnie działają dążenia do tworzenia zdecentralizowanych źródeł energii, chęć podniesienia sprawności czy potrzeba bezpieczeństwa energetycznego. Coraz więcej rządów, firm, organizacji pozarządowych interesuje się rozwojem tego rynku. Nie sposób jednak nie zgodzić się z konkluzją płynącą z tegorocznego badania rynku dużych stacjonarnych ogniw paliwowych przez serwis Fuel Cell Today: “Byłoby błędem uwierzyć, że w najbliższych latach ujrzymy gwałtowną ekspansję. Na tym rynku, bardziej niż gdziekolwiek indziej, realistyczne przewidywanie premier nowych produktów i możliwości technologii będzie kluczem do przyciągnięcia klientów”.