Miten polttookennot toimivat: Elektrokemiallinen muunnos ja nolla-päästötoiminta

Ydinprosessi: vety hapettuminen ja hapen reduktio

Polttookennot tuottavat sähköä kemiallisessa reaktiossa vedyllä ja hapella, ja tärkeintä on, että tämä tapahtuu ilman mitään polttamista. Kun vety saapuu anodipuolelle, katalyytin – joka koostuu pääasiassa platinaa – avulla se hajoitetaan protoneiksi ja elektroneiksi. Elektronit liikkuvat ulkoisia johtimia pitkin kenkon ulkopuolella, luoden sähkövirran, jota voidaan käyttää todellisesti tehosta. Samalla nämä protonit liukuvat läpi niin kutsutun protoninvaihtokalvon (tai lyhyesti PEM) toiselle puolelle kenkkaa. Kun ne saapuvat katodille, nämä protonit kohtaavat happimolekyylit ja elektronit, jotka ovat palanneet piirin kautta. Yhdessä ne muodostavat ainoastaan puhdasta vettä sivutuotteena. Koko tämä prosessi toimii niin tehokkaasti, koska se ei perustu lämmön siirtoon kuten perinteiset moottorit. Tämän vuoksi PEM-polttookennot muuntavat tyypillisesti noin puolet kahdeksi kolmasosiksi syötetystä energiasta suoraan sähköksi. Tämä on noin kaksinkertainen verrattuna useimpiin bensiinikäyttöisiin ajoneuvoihin, koska niiden suorituskyky on rajoitettu perus termodynaamisiin periaatteisiin, joita tunnetaan Carnot'n syklinä.

Tärkeimmät edut ovat seuraavat:

• Lähes hiljainen toiminta ilman liikkuvia osia apujärjestelmiä lukuun ottamatta
• Jatkuva tehotuotto niin kauan kuin polttoaine ja hapetusaine ovat saatavilla
• Modulaarinen skaalautuvuus – kilowatin portaatilta monien megawattien pysyviin laitoksiin

Toisin kuin akut, polttokennot ovat energianmuuntajia, ei varastointilaitteita – mahdollistaen jatkuvan käytön ilman lataus taukoja.

Miksi polttokennot emittoivat vain vettä – ei CO₂:ta, NO₂:ta tai hiukkasia

Polttoainesolut eivät päästää mitään sääntelyjen alaista, koska ne toimivat sähkökemiallisten reaktioiden kautta polttamisen sijaan. Vedyn rakenne ei sisällä hiiltä, joten käytön aikana ei voi muodostua CO2:ta. Lisäksi reaktiot tapahtuvat enintään noin 100 asteen lämpötilassa, mikä on kaukana typpeoksidien muodostumisen aloittavasta 1 300 asteesta. Myöskään liekkejä ei ole mukana, joten savu, tuhka ja ilmaa saastuttavat palamattomat hiilivedyt jäävät pois. Mitä sitten tulee ulos? Pohjimmiltaan pelkkää vesihöyryä, jota joskus kerätään ja kierrätetään teollisissa prosesseissa. Siksi nämä järjestelmät toimivat erinomaisesti sisätiloissa, vilkkaille kaupunkialueille tai missä tahansa, missä ilmanlaatuun liittyvät standardit ovat herkkiä. Ne sopivat täysin Yhdysvaltain ympäristönsuojeluviraston (EPA) suositusten mukaisesti, vastaavat Euroopan puhtaan ilman säädöksiä ja täyttävät myös Maailman terveysjärjestön ohjeet.

Polttoainesolujen sovellukset vaikeasti vähennettävissä olevissa sektoreissa

Raskas liikenne: Kuorma-autot, linja-autot, junat ja merikuljetusvälineet

Kun on kyse raskaasta kuljetuksesta, polttokennat todella ratkaisevat joitakin merkittäviä ongelmia, joita akut eivät vain pysty hoitamaan tarpeeksi hyvin. Ajattele energiavarastointikapasiteettia, täyttämiseen kuluva aika ja vaikutusta ajoneuvon painoon. Vetyllä toimivat kuorma-autot ovat tällä hetkellä nousussa. Nämä isot veturit voivat ajaa yhdellä tankkauksella 500–800 kilometriä, ja täyttö kestää alle kaksikymmentä minuuttia – aivan kuten perinteisten dieselmoottorien tapauksessa. Tämä on selvästi parempi vaihtoehto verrattuna valtaviin akkupaketteihin, jotka lisäisivät ajoneuvon painoon noin kolme–neljä tonnia. Näemme jo nyt tämän teknologian leviävän maailmanlaajuisesti: Kiinassa, Euroopan osissa ja jopa Kaliforniassa ajaa yli viisituhatta vetybussia. Käyttökohteet laajenevat yhä myös bussien ulkopuolelle. Saksan Coradia iLint -juna on yksi esimerkki, toinen puolestaan Norjan HYDROGEN-meriveneprojekti. Satamat hyötyvät erityisesti, koska suurin osa konttitoiminnoista perustuu raskaasti diesellaitteisiin, jotka päästättävät ilmaan liikaa typenioksidia ja hiukkasia. Siirtyminen polttokennoihin tarkoittaa nollapäästöjä juuri siinä missä ne syntyvät, mikä auttaa satumyllyjä saavuttamaan tiukat kansainvälisen merenkulkujärjestön päästöjen vähentämistavoitteet vuoteen 2030 ja 2050 mennessä.

Teolliset virta- ja varajärjestelmät: Dieselgeneraattorien korvaaminen

Polttookennot tarjoavat puhtaan ja luotettavan virran kriittisille infrastruktureille kuten tietokeskuksille, sairaaloille ja tehtaille, joissa dieselgeneraattorit ovat perinteisesti toimineet varavoimana. Vertailuna dieselvaihtoehtoihin, näiden järjestelmien käytössä ei synny haitallisia typenoksidi-, rikkidioksidi- tai pienhiukkaspäästöjä sisätiloissa tai herkkiä toimintoja ympärillä. Niiden rakennetta voidaan helposti skaalata pienistä 50 kilowatin asennuksista suuriin kolmen megawatin järjestelmiin asti. Käyttöajat riippuvat pääasiassa saatavilla olevasta vetyhuollosta eikä niin paljon akkujen kulumisesta ajassa. Kun käytetään paineilmaisesta vetyä, useimmat yksiköt kestävät täyden kuormituksen yli kolmen päivän ajan, mikä vähentää tulipalovaaraa verrattuna suuren määrän diesel polttoaineen varastointiin paikalla. Yhdysvaltojen energianhallinnon mukaan yritysten käyttö polttookennovaravoimasta kasvoi noin 40 prosenttia viime vuonna. Kasvu on järkevää, kun huomioi niiden uskomattoman luotettavan toiminnan yli 99,999 prosenttia järjestelmän käytettävyyttä sekä tosiasian, että monet yritykset nyt priorisoida ympäristö-, sosiaali- ja hallintotavoitteita liiketoimintapäätöksissään.

Mahdollistamalla polttokeno-ekosysteemi: Infrastruktiiri, turvallisuus ja politiikka

Vedyn varastointi, täyttöinfrastruktiiri ja käyttöturvallisuusprotokollit

Polttoainesolujen laajamittainen käyttö riippuu todella turvallisista ja kustannustehokkaista tavoista toimittaa vetyä. Vedyn varastointiin on olemassa kolme pääasiallista menetelmää: paineistettuja kaasusäiliöitä noin 350–700 baarin paineessa, erittäin kylmää nestemäistä vetyä miinus 253 celsiusasteessa sekä uudempia vaihtoehtoja, jotka perustuvat metallihydrideihin tai erityisiin adsorboiviin materiaaleihin. Jokainen menetelmä sopii paremmin tietyntyyppisiin käyttökohteisiin tilanteen mukaan. Katsottaessa tilastoa vuonna 2023, maailmassa on yli 160 julkista vetytankkausasemaa, joista suurin osa sijaitsee Kaliforniassa, Japanissa, Etelä-Koreassa ja osassa Saksaa. Kun kuitenkin pyritään laajentamaan tämä infrastruktuuri suuremmille ajoneuvoille, kuten kuorma- ja linja-autoille, asiat muuttuvat nopeasti hankaliksi. Yhden keskikokoisen aseman rakentaminen maksaa tyypillisesti kahdesta kolmeen miljoonaan dollaria, eikä tämä sisällä lupakäsittelyihin liittyviä byrokraattisia kuluja tai liittymistä olemassa oleviin sähköverkkoihin, mikä tuo mukanaan lisähaasteita, joita kukaan ei halua käsitellä.

Turvallisuus varmistetaan kansainvälisesti yhdenmukaisten tekniikan standardein, erityisesti ISO/TS 15916, SAE J2601 ja Eurooppalaisen vetyturvallisuus-käsin kirjan. Nämä edellyttävät:

• Komposiittivetytankit, jotka on sertifioitu kestämään yli 10 000 painekykliä ja luodiniskun
• Tankkausputkiliittimet, joissa on automaattinen vuototunnistus, lämpösammutus ja paineenpoistolaite
• Suljetun tilan ilmanvaihto, joka on suunniteltu pitämään vetykonsentraatio alle 1 % alarajan polttoisuuden raja-arvon

Käytännön vahvistus tulee Euroopan H2 Mobility -ohjelmasta, joka standardoi protokollit 29 asemilla osoittaen keskinäisen toimivuuden, turvallisuuden ja käyttäjien luottamuksen, jotka ovat olennaisia laajalle hyväksynnälle.

Polttookennot polttohiilidioksidineutraaliuteen polulle

Polttopaneelit erottuvat keskeisinä tekijöinä pyrkimyksessä kohti hiilineutraaleja talouksia, erityisesti siellä, missä perinteinen sähköistys ei riitä. Nämä järjestelmät käyttävät vetyä, joka on tuotettu uusiutuvista lähteistä elektrolyysillä, ja muuttavat sen sähköksi, jolloin ainoa päästö on vesihöyry. Tämä tarkoittaa nollapäästöjä CO₂:sta, typenoksideista ja varmasti myöskään haitallisista hiukkasista, jotka päätyisivät ilmaan. Niiden erityisen mielenkiintoisen tekee se, miten ne toimivat yhdessä uusiutuvien energialähteiden kanssa. Kun aurinko- tai tuulivoiman tuotanto on korkealla tasolla, ylimääräinen energia voidaan tallentaa vedyn muodossa hävikin sijaan. Myöhemmin, kun kysyntä kasvaa, varastoidun vedyn voidaan muuttaa takaisin sähköksi. Tämä ratkaisu auttaa tekemään sähköverkoista kestävämpiä ilman niitä vanhoja fossiilisten polttoaineiden varavoimaloita, joista kaikki haluavat luopua.

Koko maailma panostaa nyt todelliseen rahaan vetyä koskien: Kansainvälisen energiaviraston mukaan noin 100 miljardia dollaria on sitoutunut vetyinfraan vuoteen 2030 mennessä. Polttokennusten hinnat ovat myös laskeneet jyrkästi, noin 60 % vuodesta 2015 alkaen suurempien tuotantosarjojen ja parempien katalyyttimateriaalien ansiosta. Hallitusten politiikat alkavat myös saada kiinni. Otake recentti Yhdysvaltain inflaatiota hillitsevä laki, joka tarjoaa 3 dollaria per kilogramma verovähennystä puhtaalle vedylle, sekä Euroopan unionin päivitetty uusiutuvan energian direktiivi. Nämä muutokset tarkoittavat, että polttokennukset eivät enää ole vain kokeellisia, vaan ne todella alkavat kuulua tavalliseen infrastruktuuriin. Tulevaisuudessa arvioidaan, että nämä järjestelmät voivat tyydyttää noin 15 %:n osuuden energiantarpeista aloilla, joilla päästöjen leikkaus on erityisen vaikeaa. Tämä tekee niistä melko tärkeitä, jos haluamme saavuttaa ne nollapäästötavoitteet, vaikka edessä on vielä työtä ennen kuin ne yleistyvät.

UKK

Mikä on polttokenno?
Polttoainesolu on laite, joka muuntaa vetyyn varastoituneen kemiallisen energian sähköenergiaksi elektrokemiallisessa reaktiossa hapen kanssa.

Tuottaako polttoainesolut päästöjä?
Polttoainesolut tuottavat pääasiassa vesihöyryä sivutuotteena eivätkä ne päästä säädellyistä saasteista kuten CO2-, NOx- tai hiukkaspäästöistä.

Voiko polttoainesoluja käyttää liikenteessä?
Kyllä, polttoainesoluja käytetään yhä enemmän raskaiden ajoneuvojen liikenteessä, mukaan lukien kuorma-autot, linja-autot, junat ja merikuljetusvälineet.

Mitkä ovat turvatoimet vedyn käytössä?
Turvatoimiin kuuluu sertifioitujen vetytankkien käyttö, vuodonilmaisijärjestelmät ja riittävä ilmanvaihto, jotta vetykonsentraatiot pysyvät turvallisella tasolla.