Trendovi i izgledi za vodikove gorivne ćelije za čisti transport

Ovaj će se članak usredotočiti na vodikove gorivne ćelije, trendove i izglede za njihovu primjenu. Gorivne ćelije na bazi vodika danas privlače sve veću pozornost u automobilskoj industriji, jer ako je 20. stoljeće bilo stoljeće motora s unutarnjim izgaranjem, onda bi 21. stoljeće moglo postati stoljeće vodikove energije u automobilskoj industriji. Već danas, zahvaljujući vodikovim ćelijama, rade svemirski brodovi, au nekim zemljama svijeta vodik se već više od 10 godina koristi za proizvodnju električne energije.

Vodikova gorivna ćelija je elektrokemijski uređaj poput baterije koja stvara električnu energiju kemijskom reakcijom između vodika i kisika, a produkt kemijske reakcije je čista voda, dok izgaranjem prirodnog plina, primjerice, nastaje ekološki štetan ugljikov dioksid.

Osim toga, vodikove ćelije mogu raditi s većom učinkovitošću, zbog čega su posebno obećavajuće. Zamislite učinkovite, ekološki prihvatljive automobilske motore.Ali cijela je infrastruktura trenutno izgrađena i specijalizirana za naftne derivate, a veliko uvođenje vodikovih ćelija u automobilsku industriju suočava se s ovom i drugim preprekama.

U međuvremenu, od 1839. godine poznato je da se vodik i kisik mogu kemijski spojiti i tako dobiti električnu struju, odnosno da je proces elektrolize vode reverzibilan — to je potvrđena znanstvena činjenica. Već u 19. stoljeću počinju se proučavati gorivne ćelije, ali razvoj proizvodnje nafte i stvaranje motora s unutarnjim izgaranjem ostavlja vodikove izvore energije i oni postaju nešto egzotično, neisplativo i skupo za proizvodnju.

Pedesetih godina prošlog stoljeća NASA je bila prisiljena posegnuti za vodikovim gorivim ćelijama, i to iz nužde. Trebali su kompaktan i učinkovit generator struje za svoju svemirsku letjelicu. Zbog toga su Apollo i Gemini u svemir letjeli na vodikove gorive ćelije, što se pokazalo kao najbolje rješenje.

Danas su gorivne ćelije potpuno izvan eksperimentalne tehnologije, au posljednjih 20 godina učinjen je značajan napredak u njihovoj široj komercijalizaciji.

Nisu uzalud velike nade polagane u vodikove gorivne ćelije. U procesu njihovog rada, zagađenje okoliša je minimalno, tehničke prednosti i sigurnost su očigledne, osim toga, ova vrsta goriva je fundamentalno autonomna i može zamijeniti teške i skupe litijeve baterije.

Gorivo vodikove ćelije pretvara se u energiju izravno tijekom kemijske reakcije, pri čemu se dobiva više energije nego kod konvencionalnog izgaranja.Troši manje goriva, a učinkovitost mu je tri puta veća nego kod sličnog uređaja koji koristi fosilna goriva.

Učinkovitost će biti to veća što je bolje organiziran način iskorištavanja vode i topline nastale tijekom reakcije. Emisija štetnih tvari je minimalna, jer se oslobađa samo voda, energija i toplina, dok i kod najuspješnije organiziranog procesa izgaranja tradicionalnog goriva neminovno dolazi do stvaranja dušikovih oksida, sumpora, ugljika i drugih nepotrebnih produkata izgaranja.

Osim toga, konvencionalne industrije goriva same po sebi štetno utječu na okoliš, a vodikove gorivne ćelije izbjegavaju opasnu invaziju na ekosustav, budući da je proizvodnja vodika moguća iz potpuno obnovljivih izvora energije. Čak je i curenje ovog plina bezopasno, jer trenutno isparava.

Gorivnoj ćeliji nije bitno iz kojeg se goriva dobiva vodik za njezin rad. Gustoća energije u kWh / l bit će ista, a ovaj pokazatelj stalno raste s poboljšanjem tehnologije za stvaranje gorivih ćelija.

Sam vodik može se dobiti iz bilo kojeg prikladnog lokalnog izvora, bilo da se radi o prirodnom plinu, ugljenu, biomasi ili elektrolizi (putem vjetra, solarne energije, itd.) Nestaje ovisnost o regionalnim opskrbljivačima električnom energijom, sustavi su obično neovisni o električnim mrežama.

Radne temperature ćelije su prilično niske i mogu varirati od 80 do 1000 °C, ovisno o vrsti elementa, dok temperatura u konvencionalnom modernom motoru s unutarnjim izgaranjem doseže 2300 °C.Gorivna ćelija je kompaktna, emitira minimalnu buku tijekom proizvodnje, nema emisije štetnih tvari, tako da se može postaviti na bilo koje prikladno mjesto u sustavu u kojem radi.

U principu, ne samo električna energija, već i toplina koja se oslobađa tijekom kemijske reakcije može se koristiti u korisne svrhe, primjerice za zagrijavanje vode, grijanje prostora ili hlađenje - ovim pristupom približit će se učinkovitosti generiranja energije u ćeliji 90%.

Ćelije su osjetljive na promjene u opterećenju, pa kako se potrošnja energije povećava, potrebno je dobaviti više goriva. To je slično radu benzinskog motora ili generatora s unutarnjim izgaranjem. Tehnički gledano, gorivna ćelija je izvedena vrlo jednostavno, budući da nema pokretnih dijelova, dizajn je jednostavan i pouzdan, a vjerojatnost kvara je u osnovi iznimno mala.

Gorivna ćelija vodik-kisik s membranom za izmjenu protona (primjerice «s polimernim elektrolitom») sadrži membranu koja provodi protone iz polimera (nafion, polibenzimidazol itd.), koja odvaja dvije elektrode - anodu i katodu. Svaka elektroda je obično ugljična ploča (matrica) s katalizatorom na nosaču — platinom ili legurom platinoida i drugih spojeva.

Na anodnom katalizatoru molekularni vodik disocira i gubi elektrone. Vodikovi kationi se prenose kroz membranu do katode, ali elektroni se predaju vanjskom krugu jer membrana ne dopušta prolazak elektrona. Na katodnom katalizatoru, molekula kisika spaja se s elektronom (koji se dovodi vanjskim komunikacijama) i nadolazećim protonom te tvori vodu, koja je jedini produkt reakcije (u obliku pare i/ili tekućine).

Da, električni automobili danas rade na litijske baterije. Međutim, mogu ih zamijeniti vodikove gorivne ćelije. Umjesto baterije, izvor napajanja izdržat će puno manju težinu. Osim toga, snaga automobila uopće se ne može povećati zbog povećanja težine zbog dodavanja baterijskih ćelija, već jednostavno podešavanjem dovoda goriva u sustav dok je u cilindru. Stoga proizvođači automobila imaju velika očekivanja od vodikovih gorivih ćelija.

Prije više od 10 godina počeo je rad na stvaranju automobila na vodik u mnogim zemljama svijeta, posebno u SAD-u i Europi. Kisik se može ekstrahirati izravno iz atmosferskog zraka pomoću posebne jedinice kompresora za filtriranje koja se nalazi u vozilu. Komprimirani vodik pohranjuje se u cilindru za teške uvjete rada pod tlakom od oko 400 atm. Punjenje goriva traje nekoliko minuta.

Koncept ekološki prihvatljivog gradskog prijevoza u Europi se primjenjuje od sredine 2000-ih: ovakvi putnički autobusi odavno se nalaze u Amsterdamu, Hamburgu, Barceloni i Londonu.U metropoli je odsustvo štetnih emisija i smanjena buka iznimno važna. Coradia iLint, prvi željeznički putnički vlak na vodikov pogon, pokrenut je u Njemačkoj 2018. Do 2021. planirano je puštanje u promet još 14 takvih vlakova.

Tijekom sljedećih 40 godina, prelazak na vodik kao primarni izvor energije za automobile mogao bi revolucionirati svjetsku energiju i gospodarstvo. Iako je sada jasno da će nafta i plin ostati glavno tržište goriva još najmanje 10 godina.Ipak, neke zemlje već ulažu u stvaranje vozila s vodikovim gorivnim ćelijama, unatoč činjenici da je potrebno prevladati mnoge tehničke i ekonomske prepreke.

Stvaranje vodikove infrastrukture, sigurnih benzinskih postaja glavni je zadatak, jer vodik je eksplozivan plin. U svakom slučaju, uz vodik, gorivo vozila i troškovi održavanja mogu se značajno smanjiti, a pouzdanost povećati.

Prema prognozama Bloomberga, do 2040. automobili će trošiti 1900 teravat sati umjesto sadašnjih 13 milijuna barela dnevno, što će biti 8% potražnje za električnom energijom, dok 70% nafte koja se danas proizvodi u svijetu odlazi na proizvodnju goriva za prijevoz. . Naravno, u ovom su trenutku izgledi za tržište baterijskih električnih vozila mnogo izraženiji i impresivniji nego u slučaju vodikovih gorivih ćelija.

U 2017. godini tržište električnih vozila iznosilo je 17,4 milijarde dolara, dok je tržište automobila na vodik procijenjeno na samo 2 milijarde dolara. Unatoč toj razlici, investitori su i dalje zainteresirani za vodikovu energiju i financiraju nove razvoje.

Tako je 2017. godine stvoreno Hydrogen Council koje uključuje 39 velikih proizvođača automobila kao što su Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Njegova je svrha istraživanje i razvoj novih vodikovih tehnologija i njihova daljnja široka distribucija.