نیروگاه پیل های سوختی
از نظر رشد تعداد شرکتها هیچ شرکتی از فعالیت در این عرصه خارج نشده است،
اما شرکت زیمنس واحدهای تجاری پیلسوختی اکسیدجامد خود را یکباره به فروش
گذارد و شرکت HydroGen ، دوسوم نیروی کار خود را بهحال تعلیق درآورد.
در خصوص توسعههای بهوجود آمده در بازار باید گفت بهموازات افزایش تعداد
واحدهای فروخته شده به مجتمعهای اداری و مدارس، قانونگذاران و
برنامهریزان تجاری توجه بیشتری به تولید غیرمتمرکز معطوف میکنند. مراکز
داده و سرور (Server) نیز با توجه به برخی دلایل جدی و بالقوه ارائه شده از
سوی شرکتهای پیلسوختی، برای کاربردهای CCP خود نیمنگاهی به این
فنآوری دارند و در فکر بهکارگیری این فنآوریها میباشند.
رشد بازار:
بررسیهای صورت گرفته در سال 2006 و 2007 حاکی از توسعه قابلتوجه
بازار نیروگاهی بود اما این مسأله در سال 2008 به یک سناریوی
business-as-usual تبدیل شده است. در سه سال اخیر، تعداد واحدهای پذیرفته
شده نیروگاهی در حد 50 واحد در سال ثابت مانده است؛ این در حالیست که در
این مدت، مگاوات نصب شده واحدهای پیلسوختی، دو برابر شده است (نموادر 1).
ضمن اینکه این بازار تاکنون از مدل
boom-and-bust تعدادی از فنآوریهای دیگر دوری کرده، نگرانیهای آن بیش از
نسبت منحنی یادگیری صنعت افزایش یافته است. اگر ما سیستمهای فعال در
زمینه استکهای پیلسوختی و BoP را جداگانه در نظر بگیریم، مشاهده میکنیم
شیب منحنی یادگیری برای استکها بیشتر از BoP میباشد. با بزرگتر شدن
اندازه واحدها، تعداد بیشتری استک برای ساخت یک واحد بزرگ بههم متصل
میشوند؛ بنابراین 50 سیستم برای سال 2008 در نمودارهای فوق، توان بیش از
دو برابر مقدار آن در سال 2007 را نشان میدهد.
مشکل اینجاست که کاهش هزینه موردنیاز، فقط تابعی از هزینههای استک نیست و
هزینههای یکپارچهسازی سیستم را نیز شامل میشود. این مشکل وقتی شاخصتر
میشود که بدانیم، تجربه نشان داده است نسبت کاهش هزینه در مورد اخیر یعنی
یکپارچهسازی سیستم، بسیار کندتر از کاهش هزینههای استک است.
با نگاهی به منحنی مگاوات نصب شده، میتوانیم تغییر پلهای ظرفیت نصب شده
را در سال 2008 مشاهده کنیم. این تغییر بهدلیل افزایش در متوسط اندازه هر
واحد است. در حال حاضر، متوسط اندازه هر واحد، یک مگاوات است؛ بنابراین
همانطور که در شکل 4 مشاهده میشود تعداد سیستمهای فروخته شده، ثابت است
اما مگاوات نصب شده روندی افزایش دارد.
نمودار 3- مگاوات نصب شده بهصورت سالانه و تراکمی
در سال جاری تقسیم بازار این واحدها به سه کلاس اندازه، واضحتر شده است.
واحدهای 10 کیلووات برای مراکز داده توسعه یافتهاند، واحدهای 250 الی
400 کیلووات برای مجتمعهای اداری، بیمارستانها، زندانها و غیره توسعه
داده شدهاند و در نهایت واحدهایی با توان بیش از 2 مگاوات برای
نیروگاهها و مزارع(farms) سِرور توسعه یافتهاند. استثنای این امر، شرکت
فوجی الکتریک است که واحدهای پیلسوختی اسیدفسفریک 100 کیلووات را به
سوپر مارکتها و مراکز اجتماعی متوسط فروخته است. در سال 2008، تعداد
واحدهای مربوط به کلاس 10 کیلووات، کمتر از 5 درصد کل واحدها بوده است.
عطف توجه به مخلوط الکترولیت: امسال نیز ما تعادل همواری را در سیستمهای
ارسالی پیلسوختی از نوع کربنات مذاب و اسیدفسفریک شاهد بودیم که بخش
عمدهای را به خود اختصاص داده بودند. توجه داشته باشید که در نمودار (5)
الکترولیتهای سیستمهای ارسالی نشان داده شده است نه مگاوات نصب شده بر
حسب نوع الکترولیت.
نمودار 5- سبد سالانه فنآوری، درصد پذیرش سالانه هر فنآوری
نکته جالب توجه این است که ما در کاربرد نیروگاهی میتوانیم شاهد بازگشت
پیلهایسوختی قلیایی به چهارچوب باشیم. شرکت AFC Energy با Akzo Nobel جهت
ارسال یک واحد 50 و یک واحد 200 کیلوواتی با شرط توسعه بیشتر، معامله
میکند. در حال حاضر، فنآوری شرکت با یک تعداد سل مشخص برای 5000 ساعت
آزمایش شده است.
اگر ما به منطقهای که استک پیلسوختی در
آن ساخته میشود، توجه کنیم؛ درمییابیم همانطور که در نمودار (6) نشان
داده شده، منطقه امریکای شمالی با اختصاص حدود دوسوم کل استکها در بازار
2008، بسیار قوی است. سهم این بازار در چند سال گذشته تقریباً ثابت بوده
است و پیشبینی میشود این پایداری همچنان باقی بماند. مگر آنکه شرکتهای
اروپایی مثل Rolls Royce و Nuvera تصمیم بگیرند استکهایشان را در اروپا و
نه در واحدهای واقع در امریکای شمالی بسازند.
در حال حاضر، تنها یک فعال جدی دیگر در زمینه پیلهای سوختی نیروگاهی در
جهان وجود دارد که آن هم شرکت ElectroCell برزیل است. این شرکت، فنآوری
پیلسوختی پلیمری را برای هر دو کاربرد کوچک و بزرگ توسعه میدهد. شرکت
هندی BHEL نیز در زمینه توسعه فنآوری پیلسوختی پلیمری فعالیت میکند و
اکنون در فاز تست قرار دارد.
جالب است بدانیم که کاربرد نیروگاهی بالاترین حساسیت را به توسعه شرکتی و
تجاری در همه بخشهای مختلف پیلسوختی دارد. فعلاً در این کاربرد تنها 10
شرکت قادر به تولید استک برای محصولاتی هستند که اولین مرحله بعد از تحقیق و
توسعه محسوب نمیشود. کمتر از نیمی از این ده شرکت، تجاری میباشند و در
حدود سهچهارم آنها، صرفاً بر بخش نیروگاهی متمرکز شدهاند. پیشبینی شده
است حدوداً ده شرکت دیگر در 5 سال آینده مشغول فعالیت در بازار شوند و بدین
ترتیب تعداد شرکتهای حاضر در این عرصه به حدود 20 شرکت میرسد.
با این تعداد کم شرکتهای عامل در بخش نیروگاهی هر افتی به لحاظ اتمام
دوره فعالیت شرکت یا فروش یکجای آن، تغییرات قابلتوجهی در رشد تمام بازار
خواهد داشت. برای مثال HydroGen سال مثبتی را به لحاظ توسعه بازار آن با
سامسونگ داشته است ولی با این حال با تعلیق دوسوم کارگران خود، در حال
مذاکره با سامسونگ برای تضمین سرمایهگذاری کوتاه مدت است. با شروع سال
مالی 2008، پیشبینی شده است شرکت HydroGen در این 12 ماه، 2 واحد 2
مگاواتی را برای استفاده در نیروگاه برق کره به سامسونگ بفروشد. اگرچه در
این فروش تنها دو سیستم معامله میشود، اما 4 مگاوات توان نصب شده
همانطور که در شکل 1 و 3 نشان داده شده است، در حدود 8 درصد از کل ظرفیت
نصب شده در سال 2008 را شامل میشود. واحدهای پیلسوختی اکسیدجامد با
برآورده شدن اهداف فاز 1 برنامه SECA به بازار نزدیکتر میشود.
در مقابل شركت زيمنس كه با سيستمهاي پيلسوختي در كلاس يك مگاوات كار
ميكرد به يكباره تصميم به فروش واحد تجاري پيلسوختي اكسيدجامد گرفت و
دليل خود را نداشتن تطبيق واحدهاي ساخته شده با اهداف تعيين شده براي سال
2010 عنوان نمود. همانطور كه ميدانيم اين زمان كوتاهي براي سودبخشي
فنآوري است كه هنوز در اواخر مراحل تحقيق و توسعه قرار دارد و اصولاً توسط
بودجه دولتي سرمايهگذاري شده است لذا اين دليل بسيار نامحتمل است و واضح
است دلايلي ديگري وجود دارد كه شركت زيمنس از توسعه فنآوري پيلسوختي
صرفنظر نموده است.
اقتصاد:
با نگاه به ساختار كميتي پيلهاي سوختي نيروگاهي بزرگ متوجه ميشويم درحال
حاضر تنها شركتهاي FuelCell Energy و UTC Power هستند كه هزينههاي نادري
دارند.
در سال آينده ما شاهد آغاز واحدهاي PureCell 400 كيلوواتي شركت UTC Power
خواهيم بود. اين شركت با اعلام هزينه نصب اين واحد بازار روشني از اين
محصول ايجاد كرده است. هزينه تمام شده نصب اين واحد 1 ميليون دلار يا 2500
دلار بهازاي هر كيلووات اعلام شده است. با توجه به محاسبات اين شركت قيمت
برق توليدي از اين واحد بدون احتساب يارانه، 12 سنت در هر كيلووات/ ساعت
خواهد بود.
شركت FuelCell Energy قيمت برق از واحدهاي DFC خود را 15 سنت در هر
كيلووات/ ساعت اعلام نمود و اهداف آينده خود را نصب واحدها با هزينه نصب
كمتر از 2000 دلار بهازاي هر كيلووات عنوان نمود. نمودار زير از شركت
FuelCell Energy منتشر شده و در تاريخچه و اهداف آتي كاهش هزينههاي اين
شركت را بيان ميكند.
شكل 7- كاهش هزينه شركت FuelCell Energy
براي داشتن مرجع، هزينه يك موتور رفت و برگشتي 1800 تا 2000 دلار بهازاي هر كيلووات نصب شده است و هزينه ميكروتوربينها 2000 تا 2400 دلار بهازاي هر كيلووات نصب شده است.
كاليفرنيا از سال 2000 برنامه ابتكاري خود توليدي (SGIP) را آغاز نمود كه شامل فنآوريهاي توليد برق پيلسوختي و انرژيهاي تجديدپذير ميشود. امروز اين برنامه براي دومين بار تكرار شده است و براي انرژي خورشيدي برنامهاي مجزا و فنآوريهاي با د و پيلسوختي با هم درنظرگرفته شده است.
در برنامه SGIP، نصبهاي منفرد جديد با بيش از 5 مگاوات ميتوانند براي اين يارانه اقدام كنند. با اولين 3 مگاوات واجد شرايط %100 بودجه موجود براي 1-0 مگاوات ميشوند. %50 براي 2-1 مگاوات و %25 براي تا مگاوات است. سوختهاي تجديدپذير گاز زيستي و سوختهاي غيرتجديدپذير غير از ديزل نظير گاز طبيعي ميتوانند در پيلهاي سوختي بهكار روند.
بودجه فعلي براي اين برنامه تا سال 2012
است. با اجراي اين برنامه كاليفرنيا سريعترين رشد را در توسعه واحدهاي
نيروگاهي بزرگ نسبت به ساير نقاط جهان داشته است.
تقسيمبندي بازار
با توجه به آنچه پيشتر در اين گزارش گفته شد، تعداد نواحي مربوط به اين بازار محدود است:
بيش از 10 كيلووات= مراكز داده
350-400 كيلووات= مجتمعهاي اداري، بيمارستانها، زندان
بيش از 2 مگاوات= نيروگاهها، مزارع سرور
درحال حاضر، واحدهاي اندازه متوسط 250 تا 400 كيلووات بالاترين نرخ پذيرش
را با اختصاص نيمي از واحدهاي انتقال داده شده به واحدهاي CHP به خود
اختصاص دادند. دليل اين رشد جهشي، در توجه به اين واحدها، افزايش قوانين
شهري و منطقهاي بر روي آنچه ساختمان سبز ناميده ميشود به همراه افزايش
آگاهي از مزاياي توليد برق غيرمتمركز است. دو نمونه از اين بازارها در لندن
و نيويورك در ذيل آورده شده است:
- در لندن، "برنامه لندن" الزاماتي براي همه ساختمانهاي تجاري جديد جهت
كاهش آلايندگي كربني تا %20 دارد كه براساس قوانين ساختمانهاي ملي فعلي (L
Part) به سمت ساخت ساختمانهاي با كربن پايين و صفر ميرود. تأثير اين
برنامه خريداري 3 پيلسوختي براي مجتمعهاي اداري بوده است.
- كارشناسان در نيويورك متوجه شدهاند كه تقاضاي شبكه اشباع شده است و
فعالانه در جستجوي بهكارگيري برق غيرمتمركز جهت كاستن بار هستند. لذا
اجازه ميدهند توسعه جدي انرژيهاي جديد ادامه يابد. بخشي از تشويقها و
سياستهاي جدي نيويورك براي ارتقا پذيرش فنآوريهاي توليد غيرمتمركز شامل
پيلسوختي در ذيل آمده است:
1- دستورالعمل اجرايي 111- اين دستورالعمل الزام ميكند تا سال
2010، %20 از برق مصرفي در ساختمانهاي شخصي و اجارهاي از طريق آژانسهاي
ايالتي بايستي از باد، گرمايي خورشيدي، فتوولتائيك، زيستتوده، موج،
زمينگرمايي، زباله متان و پيلهاي سوختي توليد شود.
2- برنامه كاهش پيك بار- از اهداف اين برنامه كاهش تقاضاي پيك برق
در ايالت نيويورك، با تأكيد ويژه در شهر نيويورك است. بخشي از اين برنامه
با هدف افزايش پذيرش فنآوريهاي پاك صورت گرفته است و همچنين با تأمين
بار پايه تقاضاي برق را در اوج مصرف كاهش ميدهند. انرژيهاي تجديدپذير و
پيلهاي سوختي واجد شرايط اين بودجه هستند.
يكي از بزرگترين نصبهاي پيلسوختي در جهان پيلهاي سوختي اسيدفسفريكي UTC
با توان مجموع 8/4 (KW 400×12) مگاوات است. اين نصب در برج Freedom و 3 برج
جديد تحت ساخت در سايت مركز تجارت جهاني در منهاتن نيويورك ميباشد.
مالك برج Freedom شركت Port Authority نيويورك است و برج 2 و 3 و 4 متعلق
به بخش خصوصي ميباشد. واحدهاي پيلسوختي بهعنوان مولد 3 منظوره، گرمايش و
سرمايش را نيز براي اين برجها تأمين ميكند. تحويل سيستمهاي پيلسوختي
PuerCell در ژانويه سال 2009 صورت ميگيرد.
تمركز بر مراكز داده و مزارع سرور:
اين گزارش مراكز داده و مزارع سرورها را كه بازار بالقوه براي پيلهاي
سوختي نيروگاهي هستند يادآوري ميكند. ما معتقديم، اين زمينه مانند يك غول
بزرگ خوابيده است كه اگر بهوسيله پيلهاي سوختي بيدار شود ميتوانند به
علت حجم تقاضاي بالا در اين بخش، بازار بزرگي را خلق كند. در اين قسمت
گزارش به صورت ويژه، سابقهاي از اين بازار و دليل تمركز بر آن جهت كاهش
تقاضاي انرژي نشان داده ميشود.
نياز به برق از طريق تكثير وسيع كامپيوترهاي شخصي همه جا وجود دارد.
كامپيوترها، نوتبوكها و ساير تجهيزات الكترونيك شخصي نظير Blackberry ها و
هر آنچه ذخيرهسازي الكترونيكي داده ميكند از اين نمونه هستند. در
اتاقهاي سرور بسته به اندازه اداره و نيازمنديهاي داده، سرور با دانسيته
بالاتر شامل پهناي باد بيشتر وجود دارد و به همراه آن تهويه مطبوع نيز نياز
است.
مزارع سرور داراي پمپهاي استروئيد هستند و هركدام شامل هزارها و يا
ميليونها سرور ميباشند كه با يكديگر جمع شدهاند. مزارع سرور كه توسط
google عمل ميكنند محتملاً شامل بيش از يك ميليون سرور ميباشد.
غالب افراد در مورد ميزان تقاضاي انرژي اين مراكز داده نميدانند. در
تعدادي از مطالعات اخير كه از سوي دولت امريكا صورت گرفته است تقاضاي برق
بخشهاي گروههاي سيلكونولي (Silicon Valley) و آزمايشگاه ملي لارنسبركلي
در امريكا محاسبه شده است. نمودار 9 و 10 از آزمايشگاه لارنسبركلي، مدل
تقاضاي جهاني اين بخش را نشان ميدهد.
در سال 2005 ميزان برق مصرفي در مراكز داده 130 تراوات ساعت در سال محاسبه
شد كه 8/0 درصد فروش برق جهاني در يك سال است. تنها در امريكا اين ميزان 40
تراوات ساعت بوده است.
مشابه ميزان برقي كه براي سرورها مصرف ميشود، براي سرد كردن آنها نيز
نياز است. در مقاله جديدي بر روي مزارع سرور در مجله Fortune، اين گفته
برجسته شده است كه قفسههاي سرور ميتواند به داغي برج 7 فوتي از آونهاي
تستر باشد. آنها بقدري گرم هستند كه يك شركت معادل دلاري كه براي تأمين
برق يك سرور هزينه ميكند، بايستي براي تهويه مطبوع نيز هزينه كند تا آن را
سرد نگه دارد.
اين خيلي غيرمنتظره نيست كه بدانيد توسعه مزارع سرور جديد برخلاف ادارات
مراكز اطلاعات پايه كه تا حدي مستقل از مكان هستد، تعدادي معيارهاي كليدي
هستند از جمله دسترسي به الكتريسيته ارزان و سرمايش افزايش و يا در نهايت
تغييرات دمايي بيشتر ميباشد.
به دنبال اين تقاضاي زياد و درحال رشد براي برق برخي شركتها سراغ پيلهاي
سوختي رفتند. درحال حاضر كارهاي انجام شده در اين زمينه در واحدهاي rack
mountable UPS هستند كه توسط APC، هيدروژنيك، FuturE و Rittal توسعه
مييابند. اين واحدها براي جايگزيني بانكهاي باتريها با برق UPS در
فضاهاي بسته اماكني كه شرايط آلاينده سختگيرانه دارد طراحي شدهاند.
واحدهايي كه هماكنون در بازار وجود دارند از نوع پليمري بوده و با هيدروژن
فشرده كار ميكنند و كاركرد UPS را زماني كه برق شبكه قطع است، تأمين
ميكنند. پول بيشتر، چالشهاي بيشتر و فرصتهاي بيشتر از تأمين برق و
سرمايش تركيبي (CCP) براي اتاقهاي سرور حاصل ميشود.
سيستمهاي سرمايش متداول سوختهايي مثل گاز طبيعي را ميسوزانند و يا برق
را بهعنوان رانشگر موتور الكتريكي براي كمپرسور مورد استفاده در افزايش
فشار بخار ماده سرد كننده بهكار ميبرند. چيلرهاي جذبي گرما را براي تأمين
سرمايش بهكار ميبرند. در واقع گرما بهعنوان محصول ارزان و مازاد وارد
چيلرهاي جذبي شده و آنها بهعنوان راهحلي مؤثر وارد بازار ميشوند. لذا
ديگر سيستمهاي متداول مؤثر نيستند و براي اين دليل است كه پيلهاي سوختي
بهعنوان واحدهاي CHP امروزه به جستجوي واحدهاي CCP و اتصال چيلرهاي جذبي
به واحد هستند. تا به امروزه شركتهاي CFC Solution و UTC Power نصبهاي
نمايشي از اين تكنولوژيها داشتهاند.
پيلهاي سوختي نيروگاهي بزرگ پتانسيل عظيمي را در اين بخش ارائه ميدهند
زيرا آنها مدولار هستند. بنابراين هر افزايش تقاضا را ميتوانند جوابگو
باشند. ميتوانند شبكه گاز طبيعي را اشغال كنند، از اشباع شبكه جلوگيري
ميكنند. مستقل دمايي هستند و ميتوانند گرماي مازاد با درجه بالا و يا
پايين توليد كنند. اما دو واقعيت در مورد آنها وجود دارد. اولين كه به
لحاظ فني بايد ضريب اطمينان حاصل كنند و دوم آنكه فعالان بايستي واقعاً
قادر به مواجه با تقاضاي بازار باشند:
1- ضريب اطمينان- دسترسي برق براي مراكز اطلاعاتي بهويژه مزارع سرور
بايستي بسيار مطمئن باشد. دسترسي برق آنها براي اين مراكز بايد 99999/99
درصد در زمان باشند. هر قطعي برق ميتواند ميليونها دلار به اين شركتها
ضرر بزند و اين دليلي است كه سيستمهاي UPS و مولدها پيش پا افتاده
شدهاند.
2- قابليت توليد: مورد دوم در مورد بازار، قابليت توليد است. هركدام از
مزارع سرور جديد ميتوانند تقاضاي برق تا 125 مگاوات داشته باشند اما در
حال حاضر توليد برق در بخش پيلسوختي چنين قابليتي را نميدهد.
منبع : کمیته راهبردی پیل های سوختی
خوش آمدید .وبلاگی که مشاهده میکنید شامل مقالات تخصصی برق ، مقالات انگلیسی برق و همچنین جزوات،نرم افزارهای تخصصی و کتابهای آموزشی ، طرح های توجیهی کارآفرینی و... بوده که من در طی دوره کارشناسی و همچنین دوران تحصیلی کاردانی جمع آوری کرده و به مرور به مطالب وبلاگ اضافه میگردد. امید است با بهره مندی از مطالب قرار داده شده نهایت رضایت مندی شما دانشجویان و دوستان گلم را جلب کرده باشم.