Jak informuje Departament Energetyki USA (DOE – U.S. Department of Energy) Delphi Corp. osiągnęła ważny etap na drodze do wprowadzenia na rynek przed rokiem 2011 technologii ogniw paliwowych ze stałym utleniaczem (SOFC).

Jak informuje Wayne Surdoval, szef programu SECA, prowadzony przez Delphi zespół, ściśle współpracujący z Biurem Paliw Kopalnych (Office of Fossil Energy), osiągnął cele I etapu programu SECA (Solid State Energy Conversion Alliance).

W kwietniu Delphi zakończyła testy pierwszego etapu programu, a w maju zatwierdził je Departament Energetyki USA. Etap zakładał osiągnięcie czterech kluczowych celów w zakresie wydajności oraz kosztów i – jak stwierdził Departament – ogniwo SOFC opracowane przez Delphi wszystkie je osiągnęło.

Moc szczytowa – Demonstracyjny system Delphi wytwarzał moc szczytową 4,24 kW na zasilaniu metanem (podstawowym składnikiem gazu ziemnego), osiągając założony cel mocy szczytowej w przedziale 3 – 10 kW.
Sprawność szczytowa – System Delphi wykazał sprawność szczytową 37%, przekraczając wartość 35% założoną jako konieczną do osiągnięcia w I etapie programu SECA.
Spadek mocy – Demonstracyjny system Delphi spełnił wymaganie w zakresie trwałości, gdyż spadek mocy wyniósł dla niego zaledwie 7 procent po 1500 godzinach pracy.
Koszty wytwarzania – Ze swoim szacownym kosztem 770 USD na kW system Delphi również spełnił założone wymagania maksimum 800 USD na kW łącznej mocy urządzenia przy masowej produkcji.

– Zespół Delphi zdał ważny test – mówi Surdoval. – Osiągając cele założone dla I etapu programu SECA Delphi dostarczyła Państwowemu Laboratorium Technologii Energetycznych (National Energy Technologies Laboratory) Departamentu Energetyki w pełni działający system demonstracyjny o zwartej konstrukcji, spełniający wymagania przestrzenne narzucane przez liczne zastosowania ruchome i stacjonarne. Wiodące osiągnięcia na poziomie systemu znacznie ułatwią zespołowi Delphi wprowadzenie na rynek w 2011 roku modułowego systemu zasilania na ogniwach SOFC, mogącego znaleźć szerokie zastosowania.

W ramach programu SECA Delphi – wraz z naukowo-technologiczną firmą Battelle i jej północno-zachodnim oddziałem Pacific Northwest Division, jak również z samym Departamentem Energetyki – prowadziła intensywne prace nad zmniejszeniem kosztu systemu, jego masy i objętości, z jednoczesnym zwiększeniem sprawności i trwałości.
W opinii Departamentu Energetyki USA ogniwa paliwowe ze stałym utleniaczem (SOFC) stanowią jedną z najbardziej obiecujących dróg rozwoju w dziedzinie urządzeń do sprawnego i czystego wytwarzania energii elektrycznej, przeznaczonych do licznych zastosowań mobilnych i stacjonarnych. Rozpoczęty w 2001 roku i koordynowany przez DOE program SECA obliczono na 10 lat i podzielono na trzy etapy. Jego ostatecznym celem jest opracowanie technologii ogniw paliwowych SOFC, których masowe zastosowanie pozwoliłoby zmniejszyć uzależnienie USA od importowanej ropy i złagodzić obciążenie środowiska naturalnego. Cele nakreślone dla I etapu programu wymagały od najlepszych w branży zespołów badawczo-rozwojowych dokonania znaczącego postępu w zakresie redukcji kosztów oraz zwiększenia sprawności i trwałości ogniw.

Główny problem stanowi technologia, trudna do opracowania ze względu na fakt, że bazuje na zupełnie nowej klasie wielowarstwowych materiałów ceramicznych. Ponadto bateria ogniw paliwowych SOFC musi charakteryzować się dużą mocą i małymi wymiarami umożliwiającymi praktyczne zastosowanie, trwałością zapewniającą wiele lat bezawaryjnej pracy oraz opłacalnością zarówno dla producenta, jak i nabywcy.

– Jesteśmy dumni z postępu, jaki osiągnęliśmy przez ostatnie siedem lat w trakcie opracowywania tej technologii. Pragniemy utrzymać wiodącą pozycję i naszą innowacyjną technologię SOFC wprowadzić na światowe rynki – mówi Guy Hachey, prezes Delphi Powertrain Systems. – Stajemy przed doskonałą szansą zbudowania czystszego i wydajniejszego źródła energii elektrycznej nie tylko do pojazdów, ale i zastosowań stacjonarnych.

Następny krok: Delphi i Departament Energetyki przechodzą do 2 etapu programu SECA
Delphi i Departament Energetyki USA będą kontynuować współpracę w ramach programu SECA – mówi Mary Gustanski, dyrektor ds. technologicznych w Delphi Powertrain Systems.
– Drugi etap realizacji programu rozpoczniemy wspólnie z DOE – dodaje Gustanski. – Będzie to trzyletni kontrakt między Delphi a DOE, z podziałem kosztów, a jego cele to zmniejszenie kosztów produkcji systemów SOFC do poziomu poniżej 600 USD za kW, zwiększenie sprawności o co najmniej 40 procent i dalsze zwiększenie gęstości mocy. Zespół Delphi będzie także pracował nad zwiększeniem trwałości, szczególnie w aspekcie odporności na cykle temperaturowe.
Głównym i ostatecznym celem trzeciego, ostatniego etapu programu SECA jest uzyskanie systemu zasilania pracującego na ogniwach SOFC o sprawności nie mniejszej niż 40 procent i kosztach wytwarzania maksimum 400 USD/kW. Takie parametry otworzą drogę do mobilnych i stacjonarnych zastosowań tej ultra czystej technologii generacji energii elektrycznej – od niewielkich urządzeń zasilania pomocniczego o kilowatowych mocach do samochodów ciężarowych i budynków mieszkalnych do dużych, przemysłowych i komunalnych generatorów SOFC o mocach rzędu megawatów.

– Osiągnięcie celów aliansu SECA ma duże znaczenie dla USA w aspekcie ekonomicznym, środowiskowym oraz w aspekcie bezpieczeństwa energetycznego – mówi Surdoval z Departamentu Energetyki USA. – Urządzenia i systemy na wielopaliwowych ogniwach SOFC Delphi będą nie tylko czystymi i wydajnymi źródłami energii elektrycznej dla wszystkich pojazdów – od najmniejszych do największych, ale ich modułowa budowa pozwoli też wykorzystać efekt skali w produkcji większych, stacjonarnych generatorów energii elektrycznej o praktycznie zerowych emisjach atmosferycznych, co jest głównym celem inicjatywy FutureGen.

Prace Delphi nad opracowaniem technologii ogniw paliwowych SOFC – rys historyczny
Delphi pracuje nad urządzeniami SOFC od roku 1999. Po zademonstrowaniu w 2001 roku generatora SOFC pierwszej generacji, Delphi w ramach programu SECA nawiązała współpracę z Battelle, ukierunkowaną na ulepszenie technologii samych ogniw oraz technologii ich łączenia w stosy, podczas gdy sama nadal pracowała nad integracją systemu, technologią montażu, wymiennikami ciepła, reaktorem do reformowania paliwa, układami kondycjonowania energii, elektroniką sterującą oraz technologią innych podzespołów.
W porównaniu z systemem pierwszej generacji z 2001 roku prowadzony przez Delphi zespół zmniejszył objętość i masę urządzenia o 75 procent. Już pod koniec 2004 roku zespół Delphi mógł zademonstrować Departamentowi Energetyki USA testowe egzemplarze ogniw o gęstości mocy większej niż zakładana jako cel programu SECA do osiągnięcia w 2011 roku.

– Najnowsze próby ponownie wykazały ponadprzeciętną wartość gęstości mocy ogniw, lecz tym razem w całych, kompletnych stosach, zmontowanych i pracujących w niewielkich obudowach o wymiarach średniej walizki (2,3 stopy sześciennej/65 litrów) – mówi Mary Gustanski.

Poza niewielkimi wymiarami ogniwa SOFC mają jeszcze inną ważną zaletę – wysoką sprawność przetwarzania paliwa na energię elektryczną, szczególnie gdy istnieje możliwość wykorzystania produktu ubocznego o wysokiej temperaturze na równi z energią elektryczną, z dużą wydajnością produkowaną przez ogniwo. Ogniwa SOFC można na przykład sprząc z turbinami napędzanymi wytwarzanym przez nie produktem ubocznym – wtedy potencjalnie można wytwarzać energię ze sprawnością cieplną od 55 do 80 procent (w zależności od wielkości urządzenia i zastosowanego paliwa). Jest to sprawność o wiele wyższa niż współczesnych typowych elektrowni opalanych węglem kamiennym, osiągających sprawność cieplną 35 do 40 procent. Poprzez kogenerację energii wytwarzanej na miejscu – w zakładach przemysłowych, firmach handlowych czy nawet budynkach mieszkalnych – wykorzystanie wysokiej jakości energii cieplnej w skojarzeniu z ogniwami paliwowymi SOFC pozwala uzyskać sprawność CHP (skojarzonej energii elektrycznej i cieplnej) na poziomie nawet 90%. Podobnie w wielkich samochodach ciężarowych, stosując pomocnicze generatory SOFC jako źródła energii elektrycznej i cieplnej w czasie postoju pojazdu można zaoszczędzić 85 procent paliwa, które obecnie spalają silniki tych pojazdów pracujące na biegu jałowym w czasie postoju, i w podobnym stopniu zredukować emisję szkodliwych substancji do atmosfery.
Obecnie w skali całego kraju, silniki amerykańskich ciężarówek długo pracujące na biegu jałowym spalają rocznie około miliarda galonów paliwa – a to już stanowi znaczny potencjał oszczędności paliw i zmniejszenia emisji atmosferycznych.
O ile niewielkie rozmiary i sprawność mają duże znaczenie dla wielu potencjalnych zastosowań, być może najważniejszą podstawową zaletą ogniw SOFC jest – wynikającą wprost z zasady ich działania – możliwość zasilania paliwami różnego rodzaju. Po wprowadzeniu relatywnie niewielkich zmian generatory SOFC może zasilać każde paliwo konwencjonalne i alternatywne – gaz ziemny, konwencjonalne paliwa ropopochodne (jak benzyna niskosiarkowa, olej napędowy i propan), wysokosiarkowe paliwa wojskowe (w rodzaju JP-8 i paliwa do silników odrzutowych), paliwa odnawialne z biomasy charakteryzujące się niską emisją CO2 (etanol, metanol i bio – olej napędowy), syntetyczne paliwa płynne produkowane z węgla i gazu ziemnego oraz paliwa inne niż węglowodorowe – np. wodór i amoniak.