Ο κύριος στόχος είναι η ανάπτυξη ενός καινοτόμου πιλοτικού συστήματος αναγεννώμενης κυψελίδας καυσίμου. Το προτεινόμενο σύστημα αποτελεί τη σημαντικότερη καινοτομία για την αποτελεσματική και κατανεμημένη διαχείριση των ΑΠΕ και αποτελείται από: (i) την κυψελίδα καυσίμου πολυμερικού ηλεκτρολύτη, (ii) τον αντιδραστήρα ηλεκτρόλυσης τύπου PEM, (iii) το σύστημα αποθήκευσης υδρογόνου, (iv) το ηλεκτρονικό σύστημα διαχείρισης ισχύος που αποτελείται από τους μετατροπείς DC/DC, (v) τον πίνακα αυτοματισμού και (vi) το λογισμικό διαγνωστικών και συντονισμού της λειτουργίας του συστήματος.
Η κατασκευή του προτεινόμενου συστήματος και των προαναφερθέντων αντιδραστήρων και υποσυστημάτων έγινε εξολοκλήρου από τις εταιρείες και τους ερευνητικούς οργανισμούς που συμμετείχαν στο έργο. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των υπομονάδων περιγράφονται παρακάτω.
Κυψελίδα καυσίμου πολυμερικού ηλεκτρολύτη υψηλής θερμοκρασίας (180-200οC): Οι διατάξεις ηλεκτρολύτη/ηλεκτροδίου βασίστηκαν σε τεχνογνωσία που είχε αναπτυχθεί στο ΙΕΧΜΗ. O σχεδιασμός των διπολικών πλακών μεταφοράς και διάχυσης αερίων και του συστήματος ψύξης αποτέλεσαν τα πλέον καινοτόμα χαρακτηριστικά της κυψελίδας. Η κυψελίδα καυσίμου σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ώστε να αποδίδει ηλεκτρική ισχύ 1 kWe. Έγινε εκτενής έλεγχος της καλής λειτουργίας τόσο σε σταθερή όσο και σε δυναμική λειτουργία. Επιπλέον μελετήθηκε η κατανομή της θερμοκρασίας που αναπτύσσεται τόσο κατά μήκος της συστοιχίας, όσο και κατά μήκος των διπολικών πλακών και μέσω βελτιστοποιήσεων επετεύχθη καλή κατανομή κάτι το οποίο είναι πολύ σημαντικό για την απόδοση και τη σταθερότητα της συστοιχίας.
Αντιδραστήρας Ηλεκτρόλυσης: Ο αντιδραστήρας ηλεκτρόλυσης τύπου ηλεκτρολύτη πολυμερικής μεμβράνης (PEM) με βάση το ενισχυμένο PFSA σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από το ΙΕΧΜΗ. Η καινοτομία του εστιάζεται στο σχεδιασμό του πεδίου ροής και της στεγανοποίησης των διαμερισμάτων της ανόδου και καθόδου με στόχο την λειτουργία υψηλής πίεσης και παραγωγή Η2 με υψηλή θερμοδυναμική απόδοση. Κατά τον σχεδιασμό, προτεραιότητα δόθηκε στις μεγάλες θερμικές και μηχανικές αντοχές και στο μικρό βάρος. Ιδιαίτερη μέριμνα απαιτήθηκε ώστε να διασφαλιστεί η ομοιόμορφη κατανομή του νερού σε όλες τις μοναδιαίες κυψελίδες για τη ομοιόμορφη λειτουργία τους. Η συστοιχία ηλεκτρόλυσης που αναπτύχθηκε έχει ονομαστική ισχύ 0.7-1 kW, ενώ μπορεί να λειτουργεί και ως συμπιεστής των παραγόμενων αερίων σε εύρος πιέσεων από 1 - 80 bar.
DC/DC μετατροπεις: Πραγματοποιήθηκε η απαιτούμενη έκθεση της ανάλυσης του Ηλεκτρικού Συστήματος λειτουργίας των Μετατροπέων. Μελετήθηκε ο ρόλος ενός μετατροπέα εισόδου και εξόδου, καθώς και ο τρόπος και ο έλεγχος της λειτουργίας του. Τα κύρια στοιχεία ενός μετατροπέα είναι οι ηλεκτρονικοί διακόπτες ισχύος, οι ανορθωτικές διατάξεις ισχύος, η αυτεπαγωγή ισχύος, οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές μικρής εσωτερικής αντίστασης και η διαμόρφωση PWM. Κατασκευάσθηκε ο μετατροπέας εξόδου, οποίος έχει αποστολή να επιτηρεί την φόρτιση των συσσωρευτών σύμφωνα με την χημεία τους, παραμένοντας μέσα στα επιτρεπτά όρια του δυναμικού λειτουργίας, ενώ ταυτόχρονα να απομαστεύει βέλτιστα την κυψέλη καυσίμου, στο μέγιστο επιτρεπτό σημείο λειτουργίας της την κάθε στιγμή. Παράλληλα, κατασκευάσθηκε ο μετατροπέας εισόδου, ο οποίος έχει αποστολή να εκκινήσει την ηλεκτρόλυση και στην συνέχεια να παρέχει το μέγιστο δυνατό ρεύμα στον αντιδραστήρα, ώστε να μεγιστοποιηθεί το παραγόμενο υδρογόνο. Και οι δύο μετατροπείς διαθέτουν δύο διαφορετικές προδιαγραφές τάσης και έντασης ανάλογα με ποια έκδοση υλικολογισμικού έχει εγκατασταθεί. Επιπρόσθετα, υπάρχουν λεπτομερείς οδηγίες χρήσης και τα τεχνικά χαρακτηριστικά μέσα στην αντίστοιχη αναφορά του παραδοτέου. Τέλος, σχεδιάστηκαν και κατασκευάσθηκαν οι ελεγκτές που είναι απαραίτητοι για τον έλεγχο και την σωστή λειτουργία των μετατροπέων εισόδου και εξόδου.
Αποθήκευση υδρογόνου: Το σύστημα αποθήκευσης του υδρογόνου αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της ολοκληρωμένης μονάδας αναγεννώμενης κυψέλης καυσίμου-ηλεκτρόλυσης. Η αποθήκευση υδρογόνου θα γίνει σε σύστημα μεταλλικών υδριδίων. Η επιλογή των υδριδίων έγινε με βάση τη χωρητικότητα τους σε Η2, την πίεση προσρόφησης Η2 και τη θερμοκρασία εκρόφησης Η2. Η επιλογή των συνθηκών έγινε με βάση τη διαστασιολόγηση της διεργασίας. Ειδικότερα η θερμοκρασία εκρόφησης θα πρέπει να είναι <180οC έτσι ώστε η λειτουργία εκρόφησης του Η2 από τα υδρίδια να συνδυαστεί με την παραγόμενη θερμότητα κατά τη λειτουργία της κυψελίδας καυσίμου. Τα δοχεία διασυνδέονται θερμικά με την κυψελίδα καυσίμου ώστε να επιτυγχάνεται η αποτελεσματική εκρόφηση του Η2 από τα υδρίδια. Κατά την προσρόφηση του Η2 στο μέταλλο αυτό θα πρέπει να είναι πλήρως απαλλαγμένο από υγρασία. Για το διαχωρισμό του νερού στο σύστημα εφαρμόσθηκαν οι παρακάτω τεχνολογίες, με κατάλληλη σειρά και συνδεσμολογία, και συγκεκριμένα:
1) Καταλυτικός αντιδραστήρας στερεάς κλίνης de-oxo dryer, για την απομάκρυνση μέσω αντίδρασης (σε θερμοκρασία 100°C) τυχόν συγκέντρωσης οξυγόνου στο αέριο ρεύμα του υδρογόνου.
2) Εναλλάκτης θερμότητας για την συμπύκνωση νερού στο αέριο ρεύμα.
3) Φίλτρο (drain filter) για την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των σταγονιδίων του νερού.
4) Δύο φίλτρα προσρόφησης με πληρωτικό υλικό/ξηραντικό μέσο molecular sieve.
Τέλος έγινε έλεγχος καλής λειτουργίας του συστήματος σε συνδυασμό με τον αντιδραστήρα ηλεκτρόλυσης του νερού, όσον αφορά το χρόνο πλήρωσης και χωρητικότητας σε Η2 όπως και την αποτελεσματική διαχείριση της διεργασίας κατά τη θέρμανση και συμπίεση.
Σύστημα ροής, Έλεγχος και διαχείριση: Το σύστημα ροής της διεργασίας σχεδιάστηκε από το ΙΔΕΠ και κατασκευάστηκε ώστε να διασυνδεθεί με τις προαναφερθείσες διατάξεις σε μια ενιαία διεργασία. Η διαχείριση της λειτουργίας του συστήματος βασίστηκε στην ανάπτυξη λογισμικού που εκτελεί τον διαγνωστικό έλεγχο και συντονίζει τη λειτουργία των διαφόρων υποσυστημάτων για τη βέλτιστη λειτουργία της συνολικής διεργασίας. Έμφαση στους διαφόρους παράγοντες που καθορίσουν την λειτουργική ευστάθεια και απόδοση του συστήματος. Συγκεκριμένα, (α) κατασκευάστηκε το σύστημα ροής που υποστηρίζει την πιλοτική μονάδα αναγεννώμενης κυψελίδας καυσίμου, (β) κατασκευάστηκε ένας ολοκληρωμένος πίνακας αυτοματισμού και (γ) αναπτύχθηκε κατάλληλο λογισμικό ελέγχου και συλλογής δεδομένων βασιζόμενο στην τεχνολογία SCADA. Με βάση πρωτόκολλο συγκεκριμένο πρωτόκολλο λειτουργίας, έγιναν δοκιμές επιβεβαιώνοντας την απόδοση και σταθερότητα των συστοιχιών που αναπτύχθηκαν, αλλά και την επιτυχή διασύνδεση όλων των υποσυστημάτων.
Οικονομική Αξιοποίηση Αποτελεσμάτων – Δράσεις προώθησης του παραγόμενου προϊόντος: Έγινε μελέτη Ανάλυσης του Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) και Kόστους του Κύκλου Ζωής (ΚΚΖ) τεχνολογιών υδρογόνου (συστήματα κυψελών καυσίμου και ηλεκτρόλυσης νερού). Η μελέτη Ανάλυσης Κύκλου Ζωής που διεξήχθη για την αξιολόγηση της περιβαλλοντικής βιωσιμότητας των προτεινόμενων τεχνολογιών υδρογόνου και της προώθησής τους, επιβεβαιώνει το θετικό περιβαλλοντικό αντίκυπτο και την ανταγωνιστικότητα των τεχνολογίων που αναπτύχθηκαν. Συγκεκριμένα, όπως προέκυψε από την μελέτη ΑΚΖ επιτυγχάνεται 27,5 % μείωση των εκπομπών CO2 κατά τη φάση κατασκευής του συστήματος και όσον αφορά τη φάση λειτουργίας του συστήματος προέκυψε ότι οι εκπομπές CO2 είναι 7,7 φορές μειωμένες σε σχέση με το σύστημα αναφοράς όπου ως πηγή υδρογόνου χρησιμοποιείται η συμβατική μέθοδος αναμόρφωσης φυσικού αερίου.
Επίσης, έγινε ανάλυση αγοράς για τα παρακάτω :
- Έρευνα αγοράς fuel cells – αυτοκινητοβιομηχανία
- Έρευνα αγοράς fuel cells – μονάδες παραγωγής συμπληρωματικής ενέργειας
- Έρευνα αγοράς electrolysers
Καθώς και μελέτη των πιθανών εφαρμογών των προιόντων της συγκεκριμένης ερευνητικής πρότασης, όπως :
- Παραγωγή ενέργειας για οικιακές εφαρμογές
- Ηλεκτροδότηση απομακρυσμένων περιοχών (Ελλάδα)
- Ηλεκτροδότηση απομακρυσμένων περιοχών (Παγκόσμια)
- Κρίσιμες εφαρμογές, όπου η συνεχής παροχή ενέργειας μέσω δικτύου είτε δεν είναι εφικτή, είτε χρειάζεται να διασφαλιστεί η παροχή ενέργειας καθ’ όλη την διάρκεια της λειτουργίας τους (Μονάδες ΕΚΑΒ, Στρατιωτικές βάσεις/μονάδες, Τροφοδοσία τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού).
Στην συνέχεια σε επόμενο παραδοτέο έγινε η ανάλυση και η μελέτη της ανταγωνιστικότητας του προιόντος, καθώς και η στρατηγική ανάπτυξης του προϊόντος με βάση την τμηματοποιήση της αγοράς (γεωγραφική και αγοραστική συμπεριφορά). Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε Χρηματοοικονομική ανάλυση και αξιολόγηση επένδυσης με παραμέτρους το κόστος παραγωγής, το Οικονομικό Πλάνο και την Χρηματοοικονομική Αξιολόγηση, την επίδραση στην ελληνική οικονομία.
Τέλος, μελετήθηκε πλάνο επιχειρηματικής αξιοποίησης του προϊόντος με βάση τις απαιτήσεις της αγοράς (όπως αποδοτική παραγωγή, μείωση κόστους, μείωση εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, ευκολία εγκατάστασης), την αξιολόγηση των αναγκών της αγοράς, καθώς και την βιωσιμότητα της. Επίσης, μελετήθηκαν τα ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα του προϊόντος του ερευνητικού προγράμματος σε σχέση με τα υπάρχοντα συστήματα συμπαραγωγής στην διεθνή αγορά.
