Operation of a fuel cell system in a building

Abstract

Sähkön hinnan kohoaminen ja sähköverkkojen ongelmat ovat saaneet paljon tilaa lehtien palstoilla viime aikoina. Tämän seurauksena monet pohtivat hajautetun energiantuotannon mahdollisuuksia. Olisiko esimerkiksi polttokennoilla mahdollista päästä omavaraiseksi sähkön- ja lämmöntuoton suhteen?

Joitakin polttokennojärjestelmiä on saatu jo markkinoillekin, mutta niiden mahdollisuuksista rakennuksen energiajärjestelmänä tiedetään varsin vähän. Luonteva ratkaisu ongelmaan on simuloiminen tietokoneella, mutta toistaiseksi polttokennojen simulointimallit ovat keskittyneet lähinnä materiaali- ja tuotekehitykseen, jossa aika-askeleet ovat lyhyitä ja mallit raskaita. Koko vuoden kestäviin rakennussimulointeihin ne eivät sovellu.

Diplomityössä on toteutettu riittävän yksinkertainen kiinteäoksidipolttokennon (SOFC) malli, joka on liitetty kaupalliseen IDA-ICE rakennussimulointiohjelmaan. Malli koostuu IDA-ICE:een liittyvästä järjestelmämallista, sekä tarkemmasta kennomallista. Järjestelmämalli perustuu polynomiyhtälöihin, joiden kertoimet saadaan kennomallista.

Lisäksi työssä on tarkasteltu eri polttokennotyyppejä, polttokennon ympärille rakentuvia järjestelmiä, sekä polttokennon soveltuvuutta yhdistettyyn sähkön- ja lämmöntuotantoon rakennuksessa. Polttokennotyypit määritetään käytetyn elektrolyytin mukaan. Osa elektrolyyteistä toimii alle sadan asteen lämpötilassa, toiset vaativat lähes tuhatta astetta.

Tässä työssä mallinnettu kiinteäoksidipolttokenno kuuluu korkean lämpötilan kennoihin, joten järjestelmienkin esittelyssä pääpaino on niissä. Mukaan tarvitaan itse polttokennon lisäksi polttoaineen, ilman, lämmön, veden ja sähkön hallitusta virtauksesta vastaavat järjestelmät, sekä niiden yhteistoimintaa koordinoiva ohjaus- ja säätöjärjestelmä.

Korkea lämpötila on eduksi monessa asiassa: polttoainevalikoima on laajempi ja ympäristön ja pakokaasun suuren lämpötilaeron ansiosta lämmön hyödyntäminen on helppoa.

Työn lopussa on esitelty kaksi toteutetulla mallilla tehtyä simulointia ja luotu niiden perusteella yleiskuva polttokennon toiminnasta rakennuksessa.