ΜΕΛΕΤΗ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ-ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΣΤΟΝ ΚΤΙΡΙΑΚΟ ΤΟΜΕΑ
Είναι γεγονός, πως η αύξηση των ενεργειακών απαιτήσεων των σύγχρονων κοινωνιών, σε συνδυασμό με τα εξάντληση των ορυκτών πόρων καθιστά υποχρεωτική τη στροφή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.
Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης, αντικείμενο έρευνας αποτελεί η διερεύνηση του υβριδικού ενεργειακού συστήματος φωτοβολταϊκου – υδρογόνου,όπου μέσω της βιβλιογραφικής έρευνας των αρχών που διέπουν αντίστοιχα ενεργειακά συστήματα,καθώς και την διεκπεραίωση σειράς πειραμάτων κατά τα οποία μεταβάλλονται διάφορες συνθήκες λειτουργίας της πειραματικής διάταξης αξιοποίησης ηλιακής ενέργειας για την ηλεκτρολυτική παραγωγή υδρογόνου, και ανάκτησης της ηλεκτρικής ενέργειας μέσω συστοιχίας κυψελών καυσίμου, μελετάται η βιωσιμότητα και η δυνατότητα εφαρμογής του ενεργειακού συστήματος παραγωγής υδρογόνου μέσω Α.Π.Ε. στον κτιριακό τομέα. Επιπλέον γίνεται χρήση του προσομοιωτικού λογισμικού TRNSYS για τη διερεύνηση της εφικτότητας και βιωσιμότητας υβριδικού συστήματος φωτοβολταϊκού - υδρογόνου σε κτίρια και οικισμούς. Από την πειραματική έρευνα προκύπτουν τα χαρακτηριστικά μεγέθη και οι συνθήκες λειτουργίας, για τα οποία επιτυγχάνονται τα μέγιστα ποσοστά απόδοσης κατά την λειτουργία του συστήματος της πειραματικής διάταξης Φ/Β, ηλεκτρολύτη και κυψέλης καυσίμου ΡΕΜ. Συμπεραίνεται ότι το υβριδικό σύστημα Α.Π.Ε.- Υδρογόνου, μπορεί να αντικαταστήσει τα συμβατικά συστήματα παροχής ενέργειας, εξασφαλίζοντας ενεργειακή αυτονομία και αποτελώντας βιώσιμη και οικονομικά αποδοτική λύση για το μέλλον του κτιριακού τομέα
1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ Είναι γεγονός ότι, τα κτίρια αντιπροσωπεύουν ένα μεγάλο μερίδιο της παγκόσμιας κατανάλωσης σε ενέργεια. Ωστόσο, η μείωση της ενεργειακής τους κατανάλωσης αποτελεί προτεραιότητα μόλις πρόσφατα. Υπάρχουν δύο τρόποι για να προχωρήσουμε προς αυτό το στόχο: ο πρώτος τρόπος περιλαμβάνει τη βελτίωση του σχεδιασμού του κτιρίου, προκειμένου να μειωθούν οι θερμικές απώλειες και δεύτερον, η αξιοποίηση των εξωτερικών κερδών (Κοσμόπουλος 2007, Κοσμόπουλος 2008). Ο στόχος αυτής της μελέτης, ήταν να διερευνήσει τον τρόπο που λειτουργούν τα υβριδικά συστήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας - Υδρογόνου και εάν μπορούν να παρέχουν ενεργειακά αυτάρκη κτίρια. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε μια πειραματική διάταξη έτσι ώστε να μας οδηγήσει σε κάποια συμπεράσματα που μας βοηθούν να διευρύνουμε τις γνώσεις μας σχετικά με τα συστήματα υδρογόνου. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε και προσομοίωση του συστήματος, έτσι ώστε να αποδείξει πως ένα αυτόνομο σύστημα, μπορεί να υπάρξει με τη χρήση ενός υβριδικού συστήματος υδρογόνου. Ένα σύστημα υδρογόνου βασίζεται, κατά κύριο λόγο, στην τεχνολογία (συμπαραγωγή) μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane, PEMFC), με τη χρήση του υδρογόνου και του αέρα, ως καύσιμο και οξειδωτικό, αντίστοιχα.
Ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος, η ενέργεια από ηλιακή ακτινοβολία είναι κυρίως διαθέσιμη κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, και λιγότερο κατά τη διάρκεια του χειμώνα, όπου και τη χρειαζόμαστε περισσότερο για την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων. Έτσι, απαιτείται μια εποχιακή αποθήκευση ενέργειας, η οποία συσσωρεύει ηλιακή ενέργεια το καλοκαίρι και το φθινόπωρο και την αποθηκεύει για να χρησιμοποιηθεί το χειμώνα μέχρι τις αρχές της άνοιξης. Το υδρογόνο (Η2), μπορεί να χρησιμεύσει ως μια μακροπρόθεσμη αποθήκευση χημικής ενέργειας. Είναι εύκολο να παραχθεί και η μετατροπή του σε θερμική και ηλεκτρική ενέργεια είναι «καθαρή». Σε αντίθεση με την αποθήκευση θερμότητας, το υδρογόνο (σε θερμοκρασία περιβάλλοντος), μπορεί να αποθηκευτεί για μεγάλες χρονικές περιόδους χωρίς απώλεια ενέργειας. Το υδρογόνο, ως μέσο αποθήκευσης, έχει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα μάζας (Wh / kg). Η ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα του εξαρτάται από την πίεση, αλλά συνήθως συγκρίνεται με ένα σύστημα ηλεκτροχημική αποθήκευσης, όπως μια μπαταρία μολύβδου-οξέος (Agbossou et al, 2004). Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν το υδρογόνο κατάλληλο για την αποθήκευση ενέργειας και, εν γένει ως φορέα ενέργειας.
2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ
Η πειραματική διάταξη, η οποία χρησιμοποιήθηκε, αποτελείται από τα παρακάτω μέρη: από ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο ισχύος 5 watt, έναν ηλεκτρολύτη PEM ο οποίος όταν είναι συνδεδεμένος με πηγή συνεχούς ρεύματος, (στη συγκεκριμένη περίπτωση το φωτοβολταϊκό στοιχείο), ηλεκτρολύει το νερό στα δυο του βασικά συστατικά το υδρογόνο και το οξυγόνο, ένα δοχείο αποθήκευσης του υδρογόνου 80 cm3, μια συστοιχία κυψελών καυσίμου και μια κάρτα μετατροπής δεδομένων, που συνδέεται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή, από όπου με το κατάλληλο λογισμικό παίρνουμε τα ζητούμενα χαρακτηριστικά μεγέθη.
Π. Κοσμόπουλος
Α. Γιαννακά
Εργαστήριο Περιβαλλοντικού και Ενεργειακού
Σχεδιάσμου Κτιρίων και Οικισμών,
Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, Δημοκρίτειο
Πανεπιστήμιο Θράκης