Kako funkcionišu gorivne ćelije: Elektrohemijska konverzija i rad bez emisije

Osnovni elektrohemijski proces: oksidacija vodika i redukcija kiseonika

Gorivne ćelije stvaraju struju koristeći hemijsku reakciju između vodika i kisika, i što je važno, to rade bez spaljivanja. Kada vodonik dođe do strane anode, razgrađuje se na protone i elektrone zahvaljujući katalizatoru koji je uglavnom napravljen od platine. Elektroni se kreću duž žica izvan ćelije, stvarajući električnu struju koju možemo koristiti za energiju. U međuvremenu, protoni se probijaju kroz nešto što se zove protonska membrana za razmjenu (ili skraćeno PEM) na drugu stranu ćelije. Kada stignu do katode, protoni se susreću sa molekulama kiseonika i elektrona koji su se vratili iz kola. Zajedno ne formiraju ništa osim čiste vode kao nusproizvod. Cijeli proces radi tako efikasno jer ne zavisi od prenosa toplote kao što to rade tradicionalni motori. Kao rezultat toga, PEM gorivne ćelije obično pretvaraju oko pola do dvije trećine svoje ulazne energije direktno u struju. To je otprilike dvostruko više nego što većina vozila na benzin može jer su njihove performanse ograničene osnovnim termodinamičkim principima poznatim kao Karnotov ciklus.

Ključne prednosti uključuju:

• Približno tiho rad bez pokretnih dijelova osim pomoćnih sistema
• Kontinuirana snaga dok su gorivo i oksidant isporučeni
• Modularna skalabilnostod mobilnih jedinica od kilovatnih do staničnih postrojenja od više megawatt

Za razliku od baterija, gorivne ćelije su pretvarači energije, a ne uređaji za skladištenje koji omogućavaju dugotrajno funkcionisanje bez ponovnog punjenja.

Zašto gorivne ćelije emituju samo vodu bez CO2, NO2 ili čestica

Gorivne ćelije ne emituju ništa što je regulirano jer rade kroz elektrohemijske reakcije umjesto sagorevanja stvari. Vodik jednostavno nema ugljenika u sebi, što znači da nema načina da se CO2 formira tokom rada. Plus, reakcije se dešavaju na oko 100 stepeni Celzijusa, nikako blizu 1300 stepeni gdje se formiraju azotni oksidi. Nema ni plamena, pa zbogom izmijeni sa sokom, pepelom i onim dosadnim neogorelim ugljovodonicima koji zagađuju vazduh. Šta izađe? U osnovi samo čista vodena para, ponekad prikupljena i ponovo korištena u industrijskim procesima. Zato ovi sistemi tako dobro rade u zatvorenim prostorijama, u gužvama gradskih područja, ili bilo gdje gdje su osetljivi na standarde kvaliteta vazduha. U skladu su sa preporukama EPA-e, odgovaraju evropskim pravilima za čist vazduh, i ispunjavaju smernice Svjetske zdravstvene organizacije.

Upotreba gorivih ćelija u sektorima koji se teško smanjuju

Teški prevoz: kamioni, autobusi, vozovi i pomorski brodovi

Kada je reč o transportu za teške terete, gorivne ćelije zaista rešavaju neke glavne probleme koje baterije jednostavno ne mogu dovoljno dobro da podnesu. Razmislite o kapacitetu skladištenja energije, koliko je potrebno vremena da se napuni, i šta to čini na težinu vozila. Kamioni na vodonik su takođe u fokusu. Ove velike ploče mogu da pređu bilo gdje od 500 do 800 kilometara sa jednim rezervoarom, a punjenje traje manje od 20 minuta, slično kao što vidimo sa tradicionalnim dizel motorima. To je bolje od nošenja tih ogromnih baterija koje bi dodale 3-4 tone dodatne težine. Već vidimo kako se ova tehnologija koristi širom svijeta sa više od pet hiljada vodoničnih autobusa koji se kreću po mestima poput Kine, dijelova Evrope, pa čak i Kalifornije. Aplikacije rastu i izvan autobusa. Uzmite njemački vlak Coradia iLint kao jedan primjer, ili pogledajte napore Norveške sa njihovim projektom trajekta HYDROGEN za drugi. Priključivo će imati koristi luke jer većina operacija kontejnera u velikoj meri zavisi od dizel opreme koja u zrak izbaci previše azot oksida i čestica. Prelazak na gorivne ćelije znači nula emisija tačno tamo gdje se događaju, što pomaže lučkim vlastima da ispune teške ciljeve Međunarodne pomorske organizacije za smanjenje emisije ugljenika do 2030. i 2050.

Industrijski napajanje i rezervni sistemi: Zamjena dizel generatora

Gorivne ćelije pružaju čistu i pouzdanu energiju za kritičnu infrastrukturu kao što su podatkovni centri, bolnice i fabrike gdje su dizel generatori tradicionalno služili kao rezervni izvor energije. U poređenju sa dizelskim opcijama, ovi sistemi ne oslobađaju štetne dušikove okside, sumpor dioksid, ili sitne čestice unutar zgrada ili oko osjetljivih operacija. Način na koji su napravljeni omogućava im lako skaliranje od malih instalacija od 50 kilovata sve do velikih instalacija koje dosežu 3 megavata. Koliko dugo rade zavisi uglavnom od dostupnog zaliha vodonika, a ne od toga da li će se baterije s vremenom iscrpljivati. Kada se koriste kompresovani rezervoari vodonika, većina jedinica može da se nosi sa punim radnim opterećenjima više od tri dana zaredom, što smanjuje opasnost od požara u poređenju sa skladištenjem velikih količina dizel goriva na licu mesta. Američko Ministarstvo energetike je izvijestilo da su kompanije koje koriste rezervne gorive ćelije prošle godine porasle za oko 40 posto. Ovaj rast ima smisla kada pogledamo njihove nevjerovatne stope pouzdanosti iznad 99,999 posto uptime plus činjenica da mnoge korporacije sada daju prioritet ekološkim, socijalnim i upravnim ciljevima u svojim poslovnim odlukama.

Omogućavanje ekosistema gorivih ćelija: infrastruktura, bezbednost i politika

U skladu sa člankom 6. stavkom 1.

Upotreba gorivih ćelija u velikom obimu zavisi od sigurnih načina isporuke vodika koji ne razbijaju banku. U osnovi postoje tri glavna pristupa skladištenju vodonika: rezervoari pod pritiskom na 350 do 700 bara, superhlada tečnost skladištena na minus 253 stepeni Celzijusa i novije opcije koje uključuju metal hidride ili posebne adsorbentne materijale. Svaka metoda bolje radi za različite situacije u zavisnosti od toga šta treba uraditi. Ako pogledamo brojeve, kada ulazimo 2023., postoji više od 160 javnih benzinskih stanica za vodonik širom svijeta, uglavnom na mestima poput Kalifornije, Japana, Južne Koreje i dijelova Njemačke. Ali kada je u pitanju proširenje ove infrastrukture za veća vozila kao što su kamioni i autobusi, stvari postaju komplikovane brzo. Izgradnja jedne decentne stanice obično košta između dva i tri miliona dolara, ne računajući sve papire potrebne za dozvole plus povezivanje sa postojećim mrežama koje dodaje još jedan sloj komplikacija sa kojima se niko ne želi nositi.

Bezbednost se bavi međunarodno usklađenim inženjerskim standardima, posebno ISO/TS 15916, SAE J2601 i Evropskim priručnikom za sigurnost vodonika. Ovi mandati:

• Kompozitni vodonični spremnici sertifikovani za izdržljivost preko 10.000 ciklusa pritiska i balističkog udara
• Uređaji za punjenje goriva sa automatskim detekcijom curenja, toplotnim isključivanjem i uređajima za smanjenje pritiska
• Ventilacija zatvorenih objekata dizajnirana da zadrži koncentracije vodonika ispod 1% niže granice zapaljivosti

Validacija u stvarnom svijetu dolazi od inicijativa poput evropskog programa za H2 mobilnost, koji je standardizovao protokole na 29 stanica, pokazujući interoperabilnost, sigurnost i povjerenje korisnika, što je od suštinskog značaja za široko usvajanje.

Gorivne ćelije na putu ka ugljen-neutralnosti

Gorivne ćelije se ističu kao ključni igrači u potrazi za ugljen-neutralnim ekonomijama, posebno tamo gdje tradicionalna elektrifikacija jednostavno ne može. Ovi sistemi uzimaju zeleni vodonik napravljen iz obnovljivih izvora kroz elektrolizu i pretvaraju ga u struju, stvarajući samo vodenu paru. To znači da nema emisije CO2, nitrogenskih oksida, i definitivno nema štetnih čestica koje se oslobađaju u zrak. Ono što ih čini zaista zanimljivim je kako rade zajedno sa obnovljivim izvorima energije. Kada se proizvodi previše solarne ili vjetroenergije, umjesto da je trošimo, možemo pohraniti višak energije kao vodik. Kasnije, kada se potražnja poveća, jednostavno pretvorimo pohranjen vodonik u struju. Ovaj pristup pomaže da naše električne mreže budu otpornije bez oslanjanja na stare rezervne elektrane za fosilna goriva koje svi žele da se postepeno ukinu.

Svijet ulaže pravi novac u vodik kao ključnu igračku: prema Međunarodnoj agenciji za energiju, za 2030. godinu za vodikovu infrastrukturu je obećano oko 100 milijardi dolara. Cene gorivih ćelija su takođe dramatično pale, za oko 60% od 2015. zahvaljujući većoj proizvodnji i boljim katalizatornim materijalima. Vlada počinje da se prilagođava. Uzmimo nedavni Zakon o smanjenju inflacije u SAD-u koji nudi 3 dolara po kilogramu poreza za čist vodonik, plus ažurirana Direktiva Evropske unije o obnovljivoj energiji. Ove promjene znače da gorivne ćelije više nisu samo eksperimentalne, već su zapravo postali dio redovne infrastrukture. U budućnosti, procjene ukazuju da bi ti sistemi mogli da zadovolje oko 15% energetskih potreba u sektorima u kojima je smanjenje emisija zaista teško. To ih čini veoma važnim ako želimo da postignemo te ciljeve, iako još ima posla da se uradi pre nego što postanu široko rasprostranjeni.

Često se postavljaju pitanja

Šta je gorivna ćelija?
Goriva je uređaj koji pretvara hemijsku energiju iz vodika u električnu energiju kroz elektrohemijsku reakciju sa kiseonikom.

Da li gorivne ćelije proizvode emisije?
Gorivne ćelije uglavnom proizvode vodenu paru kao nusproizvod i ne emituju regulirane zagađivače kao što su CO2, NOx ili čestice.

Da li se gorivne ćelije mogu koristiti u transportu?
Da, gorivne ćelije se sve više koriste u sektorima teškog transporta, uključujući kamione, autobuse, vozove i pomorske brodove.

Koje su bezbednosne mere za upotrebu vodonika?
Sigurnosne mere uključuju sertifikovane rezervoare za vodonik, sisteme za otkrivanje curenja i odgovarajuću ventilaciju kako bi se koncentracija vodonika održala bezbednom.