Trendi in možnosti za vodikove gorivne celice za čisti transport

Ta članek se bo osredotočil na vodikove gorivne celice, trende in možnosti za njihovo uporabo. Gorivne celice na osnovi vodika danes v avtomobilski industriji pritegnejo vse večjo pozornost, kajti če je bilo 20. stoletje stoletje motorjev z notranjim zgorevanjem, bo 21. stoletje morda postalo stoletje vodikove energije v avtomobilski industriji. Že danes po zaslugi vodikovih celic delujejo vesoljske ladje, v nekaterih državah sveta pa vodik že več kot 10 let uporabljajo za pridobivanje električne energije.

Vodikova gorivna celica je elektrokemična naprava, kot je baterija, ki proizvaja elektriko s kemično reakcijo med vodikom in kisikom, produkt kemične reakcije pa je čista voda, medtem ko pri sežiganju zemeljskega plina na primer nastaja okolju škodljiv ogljikov dioksid.

Poleg tega lahko vodikove celice delujejo z večjo učinkovitostjo, zato so še posebej obetavne. Predstavljajte si učinkovite, okolju prijazne avtomobilske motorje.Toda celotna infrastruktura je trenutno zgrajena in specializirana za naftne derivate in obsežna uvedba vodikovih celic v avtomobilski industriji se sooča s to in drugimi ovirami.

Medtem je že od leta 1839 znano, da se vodik in kisik lahko kemično združita in s tem dobita električni tok, to je, da je proces elektrolize vode reverzibilen - to je potrjeno znanstveno dejstvo. Gorivne celice so začeli proučevati že v 19. stoletju, vendar je razvoj proizvodnje nafte in nastanek motorja z notranjim zgorevanjem zapustil vodikove vire energije in ti so postali nekaj eksotičnega, nedonosnega in dragega za proizvodnjo.

V petdesetih letih prejšnjega stoletja je bila NASA prisiljena uporabiti vodikove gorivne celice, in to iz nuje. Potrebovali so kompakten in učinkovit generator električne energije za svoje vesoljsko plovilo. Posledično sta Apollo in Gemini v vesolje poletela na vodikove gorivne celice, kar se je izkazalo za najboljšo rešitev.

Gorivne celice so danes povsem izven eksperimentalne tehnologije, v zadnjih 20 letih pa je bil dosežen pomemben napredek v njihovi širši komercializaciji.

Ni zaman veliko upanja polagati v vodikove gorivne celice. V procesu njihovega dela je onesnaževanje okolja minimalno, tehnične prednosti in varnost so očitne, poleg tega je ta vrsta goriva v osnovi avtonomna in lahko nadomesti težke in drage litijeve baterije.

Gorivo vodikove celice se pretvori v energijo neposredno med kemijsko reakcijo, pri čemer se pridobi več energije kot pri klasičnem zgorevanju.Porabi manj goriva, učinkovitost pa je trikrat višja kot pri podobni napravi na fosilna goriva.

Učinkovitost bo tem višja, čim bolje bo urejen način izkoriščanja vode in toplote, ki nastaneta pri reakciji. Emisije škodljivih snovi so minimalne, saj se sprošča le voda, energija in toplota, medtem ko tudi pri najbolj uspešno organiziranem procesu izgorevanja klasičnega goriva neizogibno nastajajo dušikovi oksidi, žveplo, ogljik in drugi nepotrebni produkti zgorevanja.

Poleg tega imajo konvencionalne industrije goriv same po sebi škodljiv vpliv na okolje, vodikove gorivne celice pa se izogibajo nevarnemu vdoru v ekosistem, saj je proizvodnja vodika možna iz popolnoma obnovljivih virov energije. Tudi uhajanje tega plina je neškodljivo, saj izhlapi v trenutku.

Gorivni celici ni pomembno, iz katerega goriva pridobivamo vodik za svoje delovanje. Gostota energije v kWh / l bo enaka in ta indikator se nenehno povečuje z izboljšanjem tehnologije za ustvarjanje gorivnih celic.

Sam vodik je mogoče pridobiti iz katerega koli ustreznega lokalnega vira, pa naj gre za zemeljski plin, premog, biomaso ali elektrolizo (z vetrno, sončno energijo itd.) Odvisnost od regionalnih dobaviteljev električne energije izgine, sistemi so običajno neodvisni od električnih omrežij.

Delovne temperature celice so precej nizke in se lahko gibljejo od 80 do 1000 °C, odvisno od vrste elementa, medtem ko temperatura v običajnem sodobnem motorju z notranjim zgorevanjem doseže 2300 °C.Gorivna celica je kompaktna, med generiranjem oddaja minimalno hrupa, nima emisij škodljivih snovi, zato jo je mogoče postaviti na katero koli priročno mesto v sistemu, v katerem deluje.

Načeloma lahko v koristne namene, na primer za ogrevanje vode, ogrevanje prostorov ali hlajenje, uporabimo ne samo elektriko, temveč tudi toploto, ki se sprosti pri kemijski reakciji – s tem pristopom se bomo približali učinkovitosti pridobivanja energije v celici. 90 %

Celice so občutljive na spremembe obremenitve, zato je treba z večjo porabo energije dovajati več goriva. To je podobno delovanju bencinskega motorja ali generatorja z notranjim zgorevanjem. Tehnično je gorivna celica izvedena precej preprosto, saj ni gibljivih delov, zasnova je enostavna in zanesljiva, verjetnost okvare pa je v osnovi izredno majhna.

Vodikovo-kisikova gorivna celica z membrano za izmenjavo protonov (na primer »s polimernim elektrolitom«) vsebuje membrano, ki prevaja protone iz polimera (Nafion, polibenzimidazol itd.), ki ločuje dve elektrodi - anodo in katodo. Vsaka elektroda je običajno ogljikova plošča (matrika) s podprtim katalizatorjem - platino ali zlitino platinoidov in drugih spojin.

Na anodnem katalizatorju molekularni vodik disociira in izgubi elektrone. Vodikovi kationi se prevažajo preko membrane do katode, vendar se elektroni oddajo zunanjemu tokokrogu, ker membrana ne dovoli prehoda elektronov. Na katodnem katalizatorju se molekula kisika združi z elektronom (ki ga dovaja zunanja komunikacija) in prihajajočim protonom ter tvori vodo, ki je edini produkt reakcije (v obliki pare in/ali tekočine).

Da, električni avtomobili danes poganjajo litijeve baterije. Lahko pa jih nadomestijo vodikove gorivne celice. Namesto baterije bo vir energije podpiral veliko manjšo težo. Poleg tega se moč avtomobila sploh ne more povečati zaradi povečanja teže zaradi dodajanja baterijskih celic, temveč preprosto s prilagoditvijo dovoda goriva v sistem, medtem ko je v valju. Zato proizvajalci avtomobilov veliko pričakujejo od vodikovih gorivnih celic.

Pred več kot 10 leti se je delo na ustvarjanju avtomobilov na vodik začelo v številnih državah po svetu, zlasti v ZDA in Evropi. Kisik je mogoče pridobiti neposredno iz atmosferskega zraka s pomočjo posebne filtrirne kompresorske enote, nameščene v vozilu. Stisnjen vodik je shranjen v težki jeklenki pod tlakom približno 400 atm. Dolivanje goriva traja nekaj minut.

Koncept okolju prijaznega mestnega prometa se v Evropi uporablja že od sredine 2000-ih let prejšnjega stoletja: tovrstne potniške avtobuse že dolgo najdemo v Amsterdamu, Hamburgu, Barceloni in Londonu, v metropoli pa sta izjemno pomembna odsotnost škodljivih emisij in zmanjšan hrup. Coradia iLint, prvi železniški potniški vlak na vodikov pogon, je bil v Nemčiji zagnan leta 2018. Do leta 2021 je predvidenih še 14 takšnih vlakov.

V naslednjih 40 letih bi lahko prehod na vodik kot primarni vir energije za avtomobile revolucioniral svetovno energijo in gospodarstvo. Čeprav je zdaj jasno, da bosta nafta in plin ostala glavni trg goriva še vsaj 10 let.Kljub temu nekatere države že vlagajo v ustvarjanje vozil z vodikovimi gorivnimi celicami, kljub dejstvu, da je treba premagati številne tehnične in ekonomske ovire.

Vzpostavitev vodikove infrastrukture, varnih bencinskih črpalk je glavna naloga, saj je vodik eksploziven plin. Kakor koli že, z vodikom je mogoče znatno zmanjšati stroške goriva in vzdrževanja vozila ter povečati zanesljivost.

Po napovedih Bloomberga bodo do leta 2040 avtomobili porabili 1900 teravatnih ur namesto sedanjih 13 milijonov sodčkov na dan, kar bo 8 % povpraševanja po električni energiji, medtem ko gre 70 % svetovne proizvodnje nafte danes za proizvodnjo goriva za transport. . Seveda so na tej točki obeti za trg baterijskih električnih vozil veliko bolj izraziti in impresivni kot v primeru vodikovih gorivnih celic.

Leta 2017 je trg električnih vozil znašal 17,4 milijarde dolarjev, medtem ko je bil trg avtomobilov na vodik ocenjen na le 2 milijardi dolarjev. Kljub tej razliki se vlagatelji še naprej zanimajo za vodikovo energijo in financirajo nov razvoj.

Tako je leta 2017 nastal Hydrogen Council, ki vključuje 39 večjih avtomobilskih proizvajalcev, kot so Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Njegov namen je raziskovanje in razvoj novih vodikovih tehnologij ter njihova kasnejša široka distribucija.