Zdařilý nástup palivočlánkové trigenerace DFC® O nečekaný rozvoj „zelené“ energetiky cestou vysokoteplotních palivových článků v trigeneračních mobilních jednotkách se zatím nejvíce zasloužila americká společnost FuelCell Energy, založená roku 1969 v severoamerickém Danbury. Původně výzkumný ústav s vojenskou odbočkou přešel včas od nízkoteplotních alkalických palivových článků k vysokoteplotním, jejichž základem jsou tavené karbonáty označované dnes jako MCFC (molten carbonate fuel cell). Roli elektrolytu hrají uhlíkaté sloučeniny draslíku a lithia, palivem bývá zemní plyn nebo bioplyn, přesněji jejich dominantní složka metan. Z něho tzv. reformováním vodní parou při teplotách nad 600 °C vzniklá směs vodíku a CO2 pak elektrochemickou reakcí na elektrodách generuje elektřinu s účinností kolem 45 %. Využitím odpadního tepla kogenerenací se celková účinnost může zvýšit až na 65 %. Jistou slabinou poměrně rychlé kinetiky reakcí elektronů a iontů je oproti jiným typům palivových článků jejich nižší napětí (jen 1,04 V) a pomalejší start, vyžadující vyhřívání. Zatím nejúspěšnější modulární články s obchodní značkou DFC (Direct FuelCell ®) s výkony 1,4 MW, 2,8 MW nebo až 5,6 MW dovolují využít jako produkt reakce i samotný uvolněný vodík buď pro výrobní technologie závodu, nebo k pohonu vysokozdvižných vozíků aj. Modulární články DCF, někdy i s trigenerací, se rozbíhají do světa. Zatím největší zájem má USA, Jižní Korea a Německo. Společnost FuelCell Energy se začala štěpit a nejprve se společností Posco Energy roku 2007 založila sesterskou firmu pro Asii. Roku 2012 s evropským E.ONem a německým Fraunhoferovým institutem zahajuje tažení do EU. První modulární trigenerační jednotka v EU Závod Friatec AG na okraji Mannheimu s 850 zaměstnanci a s obdivovaným novým plně automatickým výškovým distribučním skladem je od 5. listopadu 2016 z 60 % zásobován elektřinou i teplem z modulární jednotky DFC, rozměrově připomínající čtyři námořní kontejnery, volně stojící na betonové desce 15 × 20 m. Díky použitým palivovým článkům DCF při provozní teplotě 580– 675 °C dodává několika halám Friatecu hodinový elektrický výkon 1,4 MW a až 6 000 MWh tepla ročně. Vodík potřebný k provozu článků získává ze zemního plynu endotermní reakcí s vodní párou (tzv. reformováním) podle rovnice CH4 + 2H2O = 4H2 + CO2. Celková účinnost přeměny zemního plynu na elektřinu a teplo se blíží 50 % a dalším využitím odpadního tepla kogenerací přes expanzní turbínu s generátorem se celková účinnost může zvýšit až k 80 %. Otevřený objekt bez střechy nezatěžuje okolí emisemi oxidů dusíku nebo síry a emisi CO2 snižuje o 3 000 t ročně. Generální ředitel společnosti Klaus Wolf po prvních zkušenostech s provozem přiznal, že snadno a rychle instalovatelný zdroj elektřiny a tepla bude svou efektivitou pro jejich zavádění v továrnách nebo areálech jasnou konkurenční výhodou. Ostře sledovaná jednotka ve Friatecu je ve vlastnictví E.ONu, společnost FuelCell Energy Solution ji nainstalovala během půl roku a podle dlouhodobé servisní smlouvy ji bude také následně provozovat a udržovat. První palivočlánkové parky v USA s technologií FuelCell Zatímco podnik, nemocnice, areál školy a jiné menší organizace vystačí s jedinou mobilní jednotkou do 5 MWe i s produkovaným teplem, rozsáhlejší objekty nebo lokální rozvodná síť si vyžadují sestavu jednotek do energetických parků s desítkami společně provozovaných a řízených energetických parků. První z nich s pěti DFC jednotkami poskytujícími celkový elektrický výkon 15 MWe uvedla FuelCell Energy do provozu v nemocnici v Hartfordu ve státě Connecticut v lednu 2014. Sestava palivových článků využívajících zemní plyn zabírá park o ploše 6 000 m2 a ke zvýšení účinnosti až na 60 % je doplněna o expanzní turbínu s alternátorem, využívající expandujícího tlaku plynu. Po uspokojivých zkušenostech si o rok později pořídil samostatnou 1,4 MW jednotku o výkonu 1,4 MWe i areál místní univerzity. Následovala řada důležitých podniků, které si modulární jednotky i bez trigenerace pořídily jako zálohu pro případný výpadek místní sítě. Nápadů jako by neubylo. I u nás se psalo o datovém centru Microsoftu v Cheyenne v americkém státě Wyoming, který si palivočlánkovou jednotkou DFC o výkonu 250 W od léta 2015 jistí nepřetržitou dodávku elektřiny. Jejím výchozím „palivem“ je metan z místní čističky odpadních vod v Dry Creek. Plyn vzniká při anaerobním digesčním procesu čištění s pomocí skupin mikroorganismů bez přístupu vzduchu. Projekt byl dotován státem a přišel na 7,6 mil. dolarů. Přístav Long Beach buduje palivočlánkovou elektrárnu s výrobnou vodíku a tankovací stanicí Toyota, která stojí za projektem označeným jako „Tri-Gen“, demonstruje možnost jednoho ze směrů čisté vodíkové budoucnosti průmyslu a dopravy. Balená vysokoteplotní palivočlánková jednotka MCFC s elektrickým výkonem 2,35 MW od FuelCell Energy bude produkovat denně 1,2 t vodíku pro přilehlou, zatím na světě nejvýkonnější tankovací stanici pro osobní i nákladní vozidla přístavní společnosti od Toyoty. Půjde o osobní vodíkové sedany MIRAI a těžké vodíkové nákladní automobily s nosností 37 t a vidlicové vozíky vyvíjené Toyotou. Komerční projekt vznikající ve spolupráci s firmou Shell a stoprocentně využívající pouze obnovitelnou energii získal stran cíle a USA standardů kvality ovzduší všechna potřebná povolení koncem roku 2017 a do plného provozu má být uveden koncem roku 2020. Trigenerační elektrárna Tri-Gen překvapuje i tím, že jako palivo k provozu využije výhradně zemědělský bioodpad z okolní oblasti. FuelCell Energy se v loňské bilanci pochlubila dodávkou nebo objednávkami víc jak 500 jednotek od začátku technologií DFC do dnešní doby. V rozmachu revolučního a čistého zdroje energie, jakým se stávají pokročilé palivové články, zatím Evropu kromě Spojených států nečekaně předbíhá Jižní Korea, která se chlubí, že palivovými články v současné době vylepšuje produkci elektrického výkonu ve výši 500 MW. Velká konkurence společnosti FuelCell Energy v oboru kogenerace vyrůstá v podobě německé MWM, která se spojila s americkým Caterpillarem, a v oboru vysokoteplotních i alkalických článků pro mikro- i megakogeneraci pak v japonském Panasoniku a Toyotě. V oboru mikrokogenerace se prosazuje evropský projekt ene.field, Evropská vodíková asociace EHA, Viessmannn (Vitovalor) aj. Jižní Korea se pouští do výstavby palivočlánkových megaparků V nedávno dokončeném mobilním parku Gyeonggi Green Energy v Soulu dala společnost POSCO Energy do provozu 21 palivočlánkových jednotek DFC3000 na vodík získávaný úpravou zemního plynu, poskytujících městské síti elektrický výkon 60 MWe a zajišťujících dálkové vytápění okrsku s 9 000 obyvateli. Tzv. zelený energetický park zabírá plochu pouhých 2 ha a byl vybudován během 10 měsíců. Koncem příštího roku jej má překonat palivočlánkový megapark POSCO Energy v jihokorejském Pchjongtcheku s celkovým elektrickým a tepelným výkonem 360 MW. Palivové biočlánky mohou změnit čističky odpadní vody v elektrárny Aktuální novinkou v oblasti palivových článků překvapila právě ukončená technická konference European Hydrogen Energy, která proběhla ve dnech 13.–14. března 2018 v Birminghamu. Výzkumné univerzitní centrum Clausthal- Zellerfeld (CUTEC) referovalo o pokroku v oblasti palivových biočlánků a demonstrovalo membránový palivový článek schopný produkovat elektřinu v obvodu propojujícím anaerobní anodu a aerobní katodu, oddělené membránou, vše ponořené do odpadní čištěné vody. Působení mikroorganismů usazujících se na elektrodách vodu nejen dokonale čistí, ale mění čističku v užitečný elektrický zdroj. Pokus podporovaný Spolkovým výzkumným ústavem BMBF dotací 3 mil. euro probíhá přímo v čističce v saském Goslaru. Vedoucí týmu prof. Schröder k tomu připomněl, že hledají z více než 3 000 typů bakterií rozkládajících rezidua antibiotik takové, která nejlépe produkují elektřinu, a zkoumají formy a materiály elektrod, na nichž se nejsnadněji zachytí. Tento článek svým rozsahem nemůže pokrýt prudce rostoucí počet inovací kolem vodíkové energetiky, zejména mikrokogeneraci s palivovými články (micro-CHP), která slibuje výhodná řešení pro chytré budovy a inteligentní města, na nichž se podílí i řada českých organizací a výrobců. Této oblasti, v níž zaznívá i otázka „Mikrokogenerace, nebo další Temelín?“, bude autor věnovat pozornost v červencovém TT, po skončení 9. mezinárodní konference CZECH HYDROGEN DAYS 2018, která proběhne v pražské Národní technické knihovně ve dnech 13.–15. června 2018. Ing. Jan Tůma
