Как работят горивните елементи: електрохимично преобразуване и работа без емисии

Основен електрохимичен процес: окисление на водорода и редукция на кислорода

Горивните елементи произвеждат електричество чрез химична реакция между водород и кислород и, което е важно, правят това без изгаряне. Когато водородът достигне анодната страна, катализатор, състоящ се предимно от платина, го разгражда на протони и електрони. Електроните се движат по външни жици, създавайки електрически ток, който можем да използваме за енергия. Междувременно протоните преминават през нещо, наречено протонен размянен мембран (или накратко PEM), до другата страна на елемента. Веднъж там, на катода, тези протони се срещат с молекули кислород и електрони, които са се върнали по веригата. Заедно те образуват единствено чиста вода като страничен продукт. Целият този процес работи толкова ефективно, защото не разчита на прехвърляне на топлина, както традиционните двигатели. В резултат на това PEM горивните елементи обикновено преобразуват около половината до две трети от входящата енергия директно в електричество. Това е приблизително два пъти повече от това, което постигат повечето бензинови превозни средства, тъй като тяхната ефективност е ограничена от основните термодинамични принципи, известни като цикъла на Карно.

Ключовите предимства включват:

• Почти безшумна работа без движещи се части, освен спомагателните системи
• Непрекъснато производство на енергия, докато се подава гориво и окислител
• Модулна мащабируемост — от киловатови преносими устройства до стационарни централи с мулти-мегаватов капацитет

В противоположност на батериите, горивните клетки са преобразуватели на енергия, а не устройства за нейно съхранение — което позволява непрекъсната работа без простои за презареждане.

Защо горивните клетки отделят само вода — без CO₂, NO₂ или прахови частици

Фуелните клетки не отделят нищо, което е регулирано, тъй като работят чрез електрохимични реакции вместо чрез изгаряне. Водородът просто не съдържа въглерод, което означава, че няма възможност за образуване на CO2 по време на работа. Освен това, реакциите се случват максимално при около 100 градуса по Целзий, което е далеч от 1300-градусовата граница, при която започват да се образуват съединения на азот. Няма и пламък, така че също изчезват саждите, пепеля и досадните неизгорели въглеводороди, които замърсяват въздуха. Какво излиза? Всъщност само чиста водна пара, понякога събирана и преизползвана в индустриални процеси. Затова тези системи работят толкова добре във вътрешни помещения, в гъсто населени градски райони или навсякъде, където са важни стандарти за въздушния състав. Те напълно отговарят на препоръките на Агенцията за опазване на околната среда (EPA), съответстват с европейските правила за чист въздух и изпълняват и насоките на Световната здравна организация.

Приложения на фуелни клетки в трудно намаляеми сектори

Тежкотоварен транспорт: Камиони, автобуси, влакове и морски съдове

Когато става въпрос за тежкотоварен транспорт, горивните клетки наистина решават някои основни проблеми, с които батериите просто не могат да се справят достатъчно добре. Помислете за капацитета на съхранение на енергия, колко време отнема превъзаправянето им и какво прави това с теглото на превозното средство. В момента водородните камиони също предизвикват вълнение. Тези големи возила могат да изминат от 500 до 800 километра с един резервоар, като превъзаправянето отнема по-малко от двадесет минути – напълно съпоставимо с традиционните дизелови двигатели. Това е съвсем различно от пренасянето на масивни батерийни блокове, които биха добавили допълнително тегло от около три до четири тона. Вече се наблюдава световно разпространение на тази технология с над пет хиляди водородни автобуси в експлоатация в страни като Китай, части от Европа и дори Калифорния. Приложенията се разширяват и извън автобусите. Пример е влакът Coradia iLint в Германия или усилията в Норвегия с проекта за HYDROGEN ферибот. Превозните пристанища особено биха имали полза, тъй като повечето контейнерни операции силно разчитат на дизелова техника, която изпуска прекалено много оксиди на азота и фини прахови частици във въздуха. Преходът към горивни клетки означава нулеви емисии точно на мястото, където се случват, което помага на пристанищните власти да постигнат амбициозните цели на Международната морска организация за намаляване на въглеродните емисии до 2030 и 2050 година.

Индустриални енергийни и резервни системи: Замяна на дизелови генератори

Горивните клетки осигуряват чиста и надеждна енергия за критична инфраструктура като дата центрове, болници и заводи, където традиционно дизеловите генератори са служели като резервни източници на електроенергия. В сравнение с дизеловите варианти, тези системи не отделят вредни оксиди на азота, сярния диоксид или микроскопични частици вътре в сградите или около чувствителни операции. Начинът, по който са изградени, им позволява лесно мащабиране – от малки инсталации с мощност 50 киловата до огромни съоръжения с мощност до 3 мегавата. Продължителността на работата им зависи предимно от наличния запас водород, а не от притеснения относно износването на батерии с времето. Когато работят с компресирани резервоари с водород, повечето устройства могат да поддържат пълна натовареност в продължение на над три денонощия, което намалява опасността от пожар в сравнение със складирането на големи количества дизелово гориво на място. Според доклад на Министерството на енергетиката на САЩ, компанияите, приели резервни горивни клетки, са нараснали с около 40 процента миналата година. Този ръст е напълно логичен, като се имат предвид техните невероятни показатели на надеждност – над 99,999 процента време на работа, както и факта, че все повече корпорации вече поставят целите за околната среда, социалната отговорност и управлението (ESG) като приоритет в своите бизнес решения.

Осигуряване на екосистемата за горивни елементи: инфраструктура, безопасност и политика

Съхранение на водород, инфраструктура за презареждане и протоколи за експлоатационна безопасност

Мащабното разгръщане на горивни елементи зависи основно от безопасни начини за доставка на водород, които не са прекалено скъпи. Има три основни подхода за съхранение на водорода: компресирани газови резервоари при налягане около 350 до 700 бара, свръхстудена течност, съхранявана при минус 253 градуса по Целзий, и по-нови варианти, включващи метални хидриди или специални адсорбиращи материали. Всеки метод е по-ефективен в различни ситуации, в зависимост от конкретните нужди. Като разгледаме данните към началото на 2023 година, има над 160 обществени водородни зарядни станции по света, предимно разположени в райони като Калифорния, Япония, Южна Корея и части от Германия. Но когато става дума за разширяване на тази инфраструктура за по-големи превозни средства като камиони и автобуси, нещата бързо стават сложни. Изграждането на една стандартна станция обикновено струва между два и три милиона долара, без да се включват административните процедури за получаване на разрешения, както и свързването към съществуващите електрически мрежи, което добавя допълнително ниво на усложнения, с които никой не иска да се занимава.

Безопасността се осигурява чрез международно хармонизирани инженерни стандарти — най-вече ISO/TS 15916, SAE J2601 и Европейската водородна книга за безопасност. Те изискват:

• Композитни водородни резервоари, сертифицирани да издържат над 10 000 цикъла на налягане и да са устойчиви на балистичен удар
• Зареждащи накрайници с автоматично откриване на течове, термично изключване и устройства за отпускване на налягане
• Вентилация в затворени съоръжения, проектирана да поддържа концентрацията на водород под 1% долна граница на възпламеняемост

Практическата валидация идва от инициативи като европейската програма H2 Mobility, която е стандартизирала протоколи в 29 станции — демонстрирайки съвместимост, безопасност и потребителско доверие, които са от съществено значение за широко разпространение.

Горивни клетки по пътя към въглеродна неутралност

Горивните клетки се отличават като ключови играчи в търсенето на въглеродно неутрални икономики, особено в сектори, където традиционната електрификация просто не е достатъчна. Тези системи използват зелен водород, произведен от възобновяеми източници чрез електролиза, и го преобразуват в електричество, като единственият страничен продукт е водна пара. Това означава никакви CO₂ емисии, никакви азотни оксиди и определено никакви вредни частици, които да бъдат изпуснати във въздуха. Онова, което ги прави наистина интересни, е начинът, по който работят заедно с възобновяемите енергийни източници. Когато се произвежда твърде много слънчева или вятърна енергия, вместо да я изгубим, можем да съхраним тази излишна енергия под формата на водород. По-късно, когато търсенето се повиши, просто преобразуваме съхранения водород обратно в електричество. Този подход помага да направи нашите енергийни мрежи по-устойчиви, без да се налага да разчитаме на старомодните резервни електроцентрали на изкопаеми горива, които всички искат да изоставят.

Светът инвестира сериозни пари в водорода като ключов участник: според Международната агенция за енергетика около 100 милиарда долара са заделени за водородна инфраструктура до 2030 година. Цените на горивните клетки също рязко намаляха – с около 60% от 2015 г. насам, благодарение на по-големи производствени серии и подобрени катализаторни материали. Държавната политика също започва да настига. Вземете например последния американски Закон за намаляване на инфлацията, който предвижда данъчно облекчение от 3 долара на килограм за чист водород, както и актуализираната Директива на Европейския съюз за възобновяема енергия. Тези промени означават, че горивните клетки вече не са само експериментални, а всъщност стават част от редовната инфраструктура. В бъдеще се очаква тези системи да покриват приблизително 15% от енергийните нужди в сектори, където намаляването на емисиите е особено трудно. Това ги прави доста важни, ако искаме да постигнем целите за нулев баланс, въпреки че все още предстои работа, преди те да се разпространят широко.

ЧЗВ

Какво е горивна клетка?
Горивната клетка е устройство, което преобразува химическата енергия от водород в електрическа енергия чрез електрохимична реакция с кислород.

Произвеждат ли горивните клетки емисии?
Горивните клетки основно произвеждат водна пара като страничен продукт и не изпускат регулирани замърсители като CO2, NOx или прахови частици.

Могат ли горивните клетки да се използват в транспорта?
Да, горивните клетки все по-често се използват в сектора на товарния транспорт, включително камиони, автобуси, влакове и морски съдове.

Какви са мерките за безопасност при използване на водород?
Мерките за безопасност включват сертифицирани резервоари за водород, системи за откриване на течове и подходяща вентилация, за да се поддържат безопасни концентрации на водород.