Εφαρμογή πειραματικών μετρήσεων κυψέλης καυσίμου τύπου ΡΕΜ στον τομέα των μεταφορών και σε ολοκληρωμένα συστήματα ΑΠΕ και τεχνολογιών υδρογόνου

Abstract

At the theoretical part of this work, the most widespread hydrogen production, storage and re-electrification technologies are presented. Different methods of storage and exploitation of energy deriving from hybrid power systems integrating Renewable Energy are also presented. In chapter I.3 some of these systems, which have been developed for permanent applications and for the power supply of islands, are presented. In chapter I.4, the main results deriving from McKinsey study are presented. McKinsey study prepared with the purpose of illustrating the role of battery electric vehicles, plug-in hybrid and fuel cell vehicles in transport sector for Europe.At the second part of this work, experimental results regarding a PEM fuel cell and an alkaline electrolyser are presented. The main objective is the integration of these experimental results in transport sector and in hybrid RES-Hydrogen Technologies power systems. Moreover, experimental measures performed in order to evaluate and decide about the combined operation of the batteries and the stack of the specific PEM fuel cell. These measures performed under stable and floatingload. All results used as main input parameters in HOMER software tool, which has been developed by National Renewable Energy Laboratory (NREL, USA) and is suitable for hybrid power systems simulations.Two case studies examined in the framework of the present Doctoral thesis:a) At the first one, two different options for the autonomous power supply of rural or/and remote buildings are presented.b) The main objective of the second case study was the integration of hydrogen technologies as an energy storage medium in a hybrid power system. The existing and a proposed power system of the island of Milos is assessed in the context of this study.In parallel, the possibility to meet the island’s energy needs in the field of public transport was also examined. The latter arises due to the fact that even in the proposed power system of Milos, there was unused excess electricity.A general conclusion emerging from the techno-economic analysis of both case studies and the possibility to meet the island’s energy needs in the field of public transport, is that a possible reduction (or subsidy) on hydrogen technologies capital costs, makes proposed hybrid RES & Hydrogen Technologies power systems more competitive. In addition, proposed systems contribute significantly to pollutants reduction, to RES penetration increase and to the independence from fossil fuels on transport and electricity production sectors.

Στο θεωρητικό μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται αρχικά οι πιο διαδεδομένες τεχνολογίες παραγωγής, αποθήκευσης και επαναχρησιμοποίησης υδρογόνου. Στη συνέχεια παρουσιάζονται διαφορετικές τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται ως μέσο αποθήκευσης και εκμετάλλευσης της περίσσειας ενέργειας που προκύπτει από υβριδικά συστήματα παροχής ισχύος τα οποία ενσωματώνουν ΑΠΕ. Στο κεφάλαιο Ι.3 παρουσιάζονται ενδεικτικά κάποια από αυτά τα συστήματα με έμφαση στις σταθερές εφαρμογές και τα νησιά. Στο κεφάλαιο Ι.4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μελέτης McKinsey, η οποία καταστρώθηκε με σκοπό την αποτύπωση του ρόλου των επιβατικών ηλεκτρικών οχημάτων με μπαταρία, των υβριδικών με βύσμα εισαγωγής σε πρίζα και των ηλεκτροκίνητων με κυψέλη καυσίμου στον τομέα των μεταφορών στην Ευρώπη.Στο πειραματικό μέρος παρουσιάζονται πειραματικές μετρήσεις κυψέλης καυσίμου τύπου PEM και αλκαλικής ηλεκτρόλυσης με σκοπό την εφαρμογή τους στον τομέα των μεταφορών και σε ολοκληρωμένα συστήματα παροχής ισχύος τα οποία περιλαμβάνουν ΑΠΕ και τεχνολογίες υδρογόνου. Παρουσιάζονται επίσης πειραματικές μετρήσεις με μεταβαλλόμενο φορτίο στην κυψέλη καυσίμου τύπου PEM, με σκοπό την αξιολόγηση της συνδυασμένης λειτουργίας της συστοιχίας της με τη διάταξη των μπαταριών που η ίδια ενσωματώνει. Τα αποτελέσματα χρησιμοποιούνται ως βασικές παράμετροι εισόδου σε εργαλείο προσομοίωσης υβριδικών συστημάτων παροχής ισχύος.Δύο είναι οι περιπτώσεις συστημάτων ισχύος οι οποίες εξετάζονται:α) Κατά την πρώτη, εξετάζονται δύο διαφορετικές εναλλακτικές για την αυτόνομη παροχή ισχύος απομονωμένων ή/και απομακρυσμένων κτιρίων.β) Η δεύτερη μελέτη περίπτωσης που εξετάζεται είναι το νησί της Μήλου. Πιο συγκεκριμένα, λαμβάνουν χώρα δύο προσομοιώσεις για το υπάρχον και το προτεινόμενο σύστημα παροχής ισχύος και στη συνέχεια τα αποτελέσματα συγκρίνονται μεταξύ τους.Παράλληλα μελετάται η πιθανή κάλυψη των ενεργειακών αναγκών στον τομέα των δημοτικών μεταφορών της Μήλου.Ένα γενικό συμπέρασμα που προκύπτει από τις δύο βασικές αναλύσεις για τα δύο συστήματα παροχής ισχύος, αλλά και από τη μελέτη για την περαιτέρω εκμετάλλευση της πλεονάζουσας ενέργειας στον τομέα των μεταφορών, είναι πως με μια πιθανή μείωση (ή επιδότηση) του κόστους των τεχνολογιών υδρογόνου, τα υβριδικά συστήματα ΑΠΕ – Τεχνολογιών υδρογόνου καθίστανται ιδιαίτερα ανταγωνιστικά συγκριτικά με τα υπάρχοντα. Επιπλέον, συμβάλλουν σημαντικά στη μείωση των ρύπων, στην αύξηση της διείσδυσης των ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο και στην απεξάρτηση από ορυκτά καύσιμα στους τομείς της ηλεκτροπαραγωγής και των μεταφορών.