پیلهای سوختی میتوانند در بخشهای مختلف تولید انرژی الکتریکی نیروگاهی حضور یابند این حوزه ها عبارتند از: هتلها، مدارس، بیمارستانها، ساختمانهای اداری و محلهای خرید. پیلهای در کاربردهای برق اضطراری خانگی و تولید همزمان نیز مورد توجه قرار گرفتهاند.
شکل ۲-۳- پیل سوختی در کاربری های خانگی
مزایای پیل‌های سوختی بطور کلی عبارت‌اند از:
پیل سوختی آلودگی ناشی از سوزاندان سوختهای فسیلی را حذف نموده و تنها محصول جانبی آن آب می باشد.
در صورتیکه هیدروژن مصرفی حاصل از الکترولیز آب باشد نشر گازهای گلخانهای به صفر میرسد.
بدلیل وابسته نبودن به سوختهای فسیلی متداول نظیر بنزین و نفت، وابستگی اقتصادی کشورهای ناپایدار اقتصادی را حذف میکند.
با نصب پیلهای سوختی نیروگاهی کوچک، شبکه غیرمتمرکز نیرو گسترده میگردد.
پیلهای سوختی راندمان بالاتری نسبت به سوختهای فسیلی متداول نظیر نفت و بنزین دارد. (بسته به نوع و ساختار راندمان آنها بین ۳۵% تا ۶۰% که با بهره گرفتن از تجهیزات بازیابی گرمایی میتوان این مقدار را تا ۸۵% نیز افزایش داد.)
هیدروژن در هر مکانی از آب و برق تولید میگردد. لذا پتانسیل تولید سوخت، غیرمتمرکز خواهد شد.
اکثر پیلهای سوختی در مقایسه با موتورهای متداول بسیار بی صدا هستند.
زمان عملکرد آنها از باتریهای متداول بسیار طولانیتر است. فقط با دو برابر نمودن سوخت مصرفی میتوان زمان عملکرد را دو برابر نمود و نیازی به دو برابر کردن خود پیل نمیباشد.
سوختگیری مجدد پیل های سوختی به راحتی امکان پذیر میباشد و هیچگونه اثرات حافظهای بر جای نمیگذارد.
بعلت عدم وجود اجزای متحرک نگهداری از آنها بسیار ساده میباشد.
نصب و بهره برداری از پیلهای سوختی بسیار ساده و مقرون به صرفه میباشد.
پیلهای سوختی مدولار می باشند یعنی به راحتی توان تولیدی از آنها قابل افزایش میباشد.
این مولدها قابلیت تولید همزمان برق و حرارت را دارند.
امکان استفاده از سوختهای تجدیدپذیر و سوختهای فسیلی پاک در آنها وجود دارد.
به میکروتوربینها متصل میگردند.
پیل سوختی به تغییر بار الکتریکی پاسخ میدهد.
پیل سوختی امکان تولید برق مستقیم با کیفیت بالا را دارد.
معایب:
به مواد بیشتر و فرآیندهای سریعتری نسبت به دیگر پیل‌ها نیاز دارد.
ممکن است در مدت طولانی کار، گرما مشکلاتی چون ناسازگاری عناصر و افت انرژی را موجب شود.
در صورت استفاده از سوخت ناخالص، کار و گرمای بیش از حد موجب رسوب کربن و در ‎‎‎‎نهایت مسمومیت پیل می‌گردد.
۲-۳-۲ میکروتوربین ها
میکروتوربینها عمدتا به عنوان تولیدکنندههای توان در منابع تولید پراکنده استفاده میشوند و در حال حاضر یکی از بهترین گزینه ها جهت استفاده در میکروگریدها به شمار میآیند. امروزه انواع مختلفی از میکرو توربینها با توان تولیدی در محدوده ۲۵ تا ۱۰۰۰ کیلو وات مورد استفاده قرار میگیرند. استفاده از میکرو توربینها در سیستمهای ترکیبی تولید توان الکتریکی و حرارتی^[۱۵] میتواند بازده کلی آنها را در مقایسه با  حالتی که تنها برای تولید الکتریسیته استفاده میشوند دو تا سه برابر کند، لذا ادوات مختلفی همچون ژنراتور و تجهیزات الکتریکی برای تولید الکتریسیته با ولتاژ و فرکانس مناسب و نیز مبدلهای حرارتی، چیلرهای جذبی و رطوبت گیرهای هوا جهت کاربردهای حرارتی در کنار میکروتوربینها به کار گرفته میشود (گزارش سازمان انرژی های نو).

۲-۳-۲-۱ اساس کار و اجزای اصلی میکروتوربین ها در یک نگاه
میکروتوربینها در واقع توربینهای گازی کوچک هستند که برای تولید الکتریسیته در گسترهی ۲۵ تا ۱۰۰۰ کیلو وات به کار گرفته میشوند. میکروتوربینها معمولاً دارای یک مبدل حرارتی جهت بازیافت انرژی از گاز داغ خروجی جهت پیش گرم کردن هوای فشرده ورودی از کمپرسور میباشند که به این مبدل رکاپوریتور نیز اطلاق میشود. معمولا میکروتوربینها دارای یک کمپرسور هوای گریز از مرکز یا شعاعی هستند که هوای فشرده پیش گرم شده را با سوخت مخلوط نموده و در اتاقک احتراق میسوزاند، گاز داغ حاصل سپس در یک یا دو بخش توربینی منبسط شده که در نتیجه تولید قدرت دورانی مینماید. این قدرت دورانی سپس جهت به حرکت در آوردن کمپرسور و ژنراتور تولید انرژی الکتریکی به کار گرفته میشود. سیکل ترمودینامیکی میکروتوربینها مشابه توربینهای گاز بزرگ (سیکل برایتون) میباشد. در سیکل برایتون هوا با فشار اتمسفر در کمپرسور فشرده شده و سپس در فشار ثابت تحت حرارت قرار میگیرند. در ادامه گاز داغ حاصل از سوزاندن سوخت و هوای فشرده پیش گرم شده منبسط میگردد که قدرت تولید شده توسط انبساط دهنده (توربین) جهت دوران کمپرسور و ژنراتور تولید انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار میگیرد. میزان قدرت تولیدی توسط توربین یا انبساط دهنده (که توسط کمپرسور مورد استفاده قرار میگیرد) وابسته به درجه حرارت مطلق گاز عبوری از این دستگاههاست. هرچه درجه حرارت و فشار گاز ورودی به توربین بیشتر باشد راندمان و قدرت مخصوص بیشتری حاصل میگردد. بنابراین برای به دست آوردن قدرت و راندمان مناسب و قابل قبول بایستی دو عامل رعایت گردد: اولا این که توربین یا انبساط دهنده در بالاترین درجه حرارت گاز ورودی قابل دسترس (که محدوده آن توسط قیمت مربوط به مواد استفاده شده در پرهی توربین تعیین میشود) به کار گرفته شود، ثانیا هوا با پایینترین درجه حرارت ممکن وارد کمپرسور شود در واقع روند پیشرفت تکنولوژی در میکروتوربینها به سمت ممکن نبودن استفاده از ترکیبی از حرارت و فشار های بالاتر بوده است. اما در حالت کلی درجه حرارت گاز ورودی به ۱۷۵۰ درجه فارنهایت یا کمتر محدود گردیده تا امکان استفاده از مواد نسبتا ارزان برای چرخ توربین و مبدل حرارتی (رکاپوریتور) فراهم گردد. معمولا برای توربینهای دارای رکاپوریتور نسبت فشار بهینه برای بهترین راندمان کم تر از ۴:۱ میباشد.
میکروتوربینهای موجود در دو کلاس ۱ محوره و ۲ محوره دستهبندی میشوند. در نوع ۱ محوره فقط یک توربین انبساط گاز وظیفه چرخاندن کمپرسور و ژنراتور را به عهده دارد. این در حالی است که نوع ۲ محوره دارای ۲ توربین انبساط گاز میباشد که توربین اول کمپرسور را چرخانده و توربین دیگر که با بهره گرفتن از گاز توربین مربوط به کمپرسور به حرکت در میآید وظیفهی چرخاندن ژنراتور را به عهده دارد.
گازهای خروجی توربین مربوط به ژنراتور مجددا در رکاپوریتور برای پیش گرم کردن هوای فشرده ورودی از کمپرسور مورد استفاده قرار میگیرد. میکرو توربینهای ۱ محوره دورهای بسیار بالا (بیش از ۱۰۰ هزار دور بر دقیقه) دوران نموده و برق تولیدی حاصل ، نوع متناوب با فرکانس بالا میباشد که جهت استفاده صنعتی ابتدا تبدیل به انرژی الکتریکی DC شده و سپس تبدیل به برق متناوب با فرکانس پایین ۵۰ یا ۶۰ سیکل میگردد. این در حالیست که در نوع ۲ محوره انرژی حاصل از انبساط گاز بین دو توربین تقسیم شده و توربین مربوط به تولید انرژی الکتریکی به گونهای طراحی گردیده که در دورهای پایین و با راندمان بالا دوران نماید. در واقع در این نوع توربین تولید انرژی الکتریکی از طریق یک جعبه دنده یک مرحلهی ارزان قیمت به ژنراتور ۵۰ یا ۶۰ هرتزی معمولی متصل میشود.
میکروتوربینها را میتوان در گسترهی وسیعی از کاربردهای مرتبط با تولید توان الکتریکی و حرارتی به کار گرفت. این وسایل در مقایسه با سایر ادوات و تکنولوژی های تولید انرژی دارای ویژگیهای زیر میباشند:
راندمان بالا (هنگام استفادهی هم زمان الکتریسیته و حرارت)
تعداد قطعات متحرک کم
وزن کم
قابلیت استفاده در محل مورد نظر
تولید هم زمان برق و حرارت
آلودگی بسیار پایین محیط زیست
عمر کاری بالا
هزینه تعمیر و نگهداری بسیار کم
قابلیت استفاده از سوخت های مختلف
هزینه پایین تولید الکتریسیته
با توجه به ویژگیهای ذکر شده در بالا استفاده از میکروتوربینها در کاربردهای مختلف تولید توان الکتریکی و حرارتی در محیطهای صنعتی , تجاری و نیز محلهای عمومی روز به روز بیشتر میشود. صنایع استخراج و فرآوری نفت، صنایع شیمیایی، چوب، کشاورزی، کاشی، سرامیک و نیز معادن عمدهترین مراکز صنعتی هستند که فرصتهای مناسبی جهت استفاده از میکروتوربینها را فراهم میسازند. علاوه بر این مراکز دیگری هم چون ساختمانهای اداری مجتمعهای مسکونی، رستورانها، فروشگاه های بزرگ، مجموعه های ورزشی، بیمارستانها، دانشگاهها، مدارس، مراکز استراتژیک و. . . نیز میتوانند از استفاده کنندگان میکروتوربینها باشند.
در حال حاضر می توان از میکروتوربینها در موارد زیر استفاده کرد:
تولید پیوسته توان الکتریکی
در این کاربرد میکروتوربینها به عنوان منابع اصلی تولید الکتریسیته به کار گرفته میشوند. این کاربرد از نظر راندمان شاید مزیت چندانی بر سایر روش های تولید توان نداشته باشد اما اهمیت این موضوع در قابلیت استفاده از آن در محل مورد نیاز میباشد. بدین ترتیب می توان مراکز حساس را از شبکهی اصلی مستقل ساخت و امنیت این مراکز را بالا برد. از طرف دیگر با توجه به قابلیت میکروتوربینها در استفاده از سوختهای مختلف میتوان از آنها به سادگی در نقاط دوردست و مکانهایی که عبور از آن بسیار مشکل است مانند سکوهای نفتی، میدانهای حفاری، تلمبه خانهها، روستاها، مراکز دور افتادهی نظامی و … برای تولید انرژی استفاده کرد.
پیک سایی
در این کاربرد به منظور اجتناب از پرداخت مبالغ سنگین ناشی از ایجاد بار پیک و هزینه های بالای آن از میکروتوربینها استفاده میشود. در برخی از مناطق اجتناب از پرداخت این هزینه ها (در زمان بار پیک ممکن است هزینه ها به ۳ الی ۵ برابر زمان عادی برسد) میتواند سرمایهگذاری انجام شده جهت خرید و نصب چنین تجهیزاتی را از نظر اقتصادی موجه سازد.
تامین نیروی الکتریکی پشتیبان
برخی مصرف کنندگان نیاز به انرژی الکتریکی کاملا قابل اطمینان و همیشگی دارند، مکانهایی همچون تلمبه خانهها، سکوهای نفتی، مراکز مخابراتی و امنیتی ، بیمارستانها، فرودگاهها در زمره این مصرف کنندگان هستند. به همین منظور استفاده از سیستمهایی که در صورت نیاز بتوان آنها را به سرعت وارد عمل نمود در چنین مکانهایی الزامی است. سرعت راه اندازی میکروتوربینها اطمینان بالای آنها و هزینه پایین تعمیر و نگهداری آنها از مزیت های میکروتوربینها برای استفاده به عنوان سیستم پشتیبان میباشند.
بازیابی منابع سوختی
بارزترین نمونه این کاربرد استفاده از گازهای ترش و با قابلیت اشتعال پایین در چاه ها و میادین نفتی و گازی است که در حال معمول بهره اقتصادی ندارند و سوزانده میشوند. میکروتوربینها این قابلیت را دارند که این گازها را به عنوان سوخت، سوزانده و توان و حرارت مورد نیاز در آن محل را تامین کنند (Maribu 2004-2005, 156 ).
کاربرد در سیستم های حمل نقل شهری
اتومبیلهای برقی, پاک و سازگار با محیط زیست بوده و جایگزین بسیار مناسبی برای موتورهای دیزلی یا گازی آلوده کننده میباشند اما عیب عمدهی این ماشینها در مسافتی است که میتوانند با هر بار شارژ باتری ها بپیمایند. امروزه میکروتوربینها به کمک این ماشینها آمدهاند و نیاز آنها را به سیستمهای شارژ باتری قطع کرده و خود وظیفه شارژ را به عهده گرفته است. علاوه بر این میکروتوربینها الکتریسیتهی اضافی را برای سیستمهای تهویه هوا و شتاب دهی سریع آن خودروها فراهم میکنند. در نتیجه در طی روز این خودروها نیازی به شارژ ندارند و در نیمههای شب که مصرف الکتریسیته بسیار پایین میآید میتوانند به شبکه برق سراسری متصل شده و خود راشارژ کنند. این امر سبب میشود که هزینه سوخت این خودروها در مقایسه با سایر سیستمهای دیزلی یا گازی بسیار پایین بیاید. علاوه بر این به دلیل آن که میکروتوربینها با هوا خنک شده و نیازی به روغن ندارند هزینه تعمیر و نگهداری این خودروها بسیار پایین است.
۲-۳-۳ سیستمهای مبدل انرژی باد
قرنها پیش تکنولوژی استفاده از انرژی باد اولین گامهای خود را با ایجاد آسیابهای بادی محور عمودی در ایران در حدود ۲۰۰ سال قبل از میلاد مسیح برداشت (Fleming and Probert 1984, 163-177). پس از آن آسیابهای بادی محور افقی در هلند و حوزه دریای مدیترانه در سالهای ۱۳۰۰ تا ۱۸۷۵ میلادی مورد استفاده قرار میگرفتند. در قرن نوزدهم و در بین سالهای ۱۸۵۰ تا ۱۹۷۰ بیش از ۶ میلیون ماشین کوچک بادی جهت پمپاژ آب در ایالات متحده امریکا استفاده میشد. اولین توربین بادی که از آن برای تولید برق استفاده میشد در سال ۱۸۸۸ میلادی در ایالت اوهایو آمریکا با ظرفیت ۲۵ کیلووات نصب شد (Kaldellis and Zafirakis 2011, 1887-1901). در دوره بین سالهای ۱۹۳۵ تا ۱۹۷۰ میلادی تلاشهایی در کشورهای دانمارک، فرانسه، آلمان و انگلستان برای ایجاد مزارع بادی صورت پذیرفت و نشان داده شد که استفاده از مزارع بادی در مقیاسهای بزرگ میتواند مقرون به صرفه باشد. پس از آن تکنولوژی توربینهای بادی و مزارع بادی رشد گستردهای را به همراه داشت و در ۲۰ سال اخیر انرژی باد به عنوان اصلیترین انرژی تجدیدپذیر توجه همهی کشورهای دنیا را به خود جلب کرده است. در شکل ۲-۴ ظرفیت کل نیروگاههای بادی نصب شده در جهان از سال ۱۹۹۶ تا سال ۲۰۱۰ نشان داده شده است که با رشدی نمایی از حدود ۶ گیگاوات در سال ۱۹۹۶ به میزان ۱۹۴ گیگاوات در سال ۲۰۱۰ افزایش پیدا کرده است (Kaldellis and Zafirakis 2011, 1887-1901).
شکل ۲-۴- ظرفیت کل نیروگاههای بادی نصب شده در جهان از سال ۱۹۹۶ تا ۲۰۱۰