Оттық ұялар қалай жұмыс істейді: Электрохимиялық түрлендіру және нөлдік шығарынды жұмыс істеу

Негізгі электрохимиялық процесс: сутегі тотығу және оттегінің тотығуы

Сутегі мен оттегінің арасындағы химиялық реакцияны пайдалана отырып отын ұяшықтар электр тогын жасайды, және маңыздысы, олардың ешнәрсені жағуға қажеті жоқ. Сутегі анод жағына жеткенде, негізінен платинадан жасалған катализатордың әсерінен протондар мен электрондарға ыдырайды. Электрондар ұяшықтан тыс сымдар бойымен қозғалып, біз нақты пайдалана алатын электр тогын жасайды. Сонымен қатар, осы протондар протон алмасу мембранасы деп аталатын нәрсенің ішінен ұяшықтың екінші жағына өтеді (қысқаша PEM). Катодта олар шығып, электр тізбегінен келіп түскен электрондар мен оттегі молекулаларымен кездеседі. Бірге олар өнім ретінде таза су ғана түзеді. Бұл бүкіл үдеріс дәстүрлі қозғалтқыштар сияқты жылу беруді пайдаланбайтындықтан өте тиімді жұмыс істейді. Нәтижесінде, PEM отын ұяшықтары әдетте енгізілген энертияның жартысынан екі үшіне дейінін тікелей электр энергиясына түрлендіреді. Бұл көбінесе бензинмен жұмыс істейтін көліктердің қарқынынан шамама екі есе көп, өйткені олардың өнімділігі Карно циклы деп аталатын негізгі термодинамикалық принциптермен шектеледі.

Негізгі плюслері:

• Қосымша жүйелерден басқа қозғалатын бөлшектері жоқ, жуық үнсіз жұмыс істеу
• Отын мен тотықтандырғыш беріліп тұрған сайын үздіксіз қуат шығысы
• Модульді масштабтау — киловатттық тасымалданатын қондырғылардан көп мегаваттық стационарлық қондырғыларға дейін

Аккумуляторлардан өзгеше, отын жинағыштары энергияны сақтау құрылғылары емес, энергия түрлендірушілер — қайта зарядтау үзілісінсіз ұзақ уақыт жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

Неліктен отын жинағыштары тек суды шығарады — CO₂, NO₂ немесе бөлшектер шығармайды

Оттық жүйелер жағатын заттардың орнына электрохимиялық реакциялар арқылы жұмыс істейді, сондықтан олар ешқандай реттелетін заттарды шығармайды. Сутегінің құрамында көміртек болмайды, сондықтан жұмыс істеу кезінде CO2 пайда болу мүмкін емес. Сонымен қатар, реакциялар максимум 100 градус Цельсий шамасында болады, бұл температура 1300 градусқа жетпейді, осы температурада ғана азот тотықтары пайда бола бастайды. Жалын да пайдаланылмайды, сондықтан түтін, күл және ауаны ластайтын көмірсутектер де жоқ. Шығатыны не? Негізінен таза су буы, кейде өнеркәсіптік процестерде жиналып қайта пайдаланылады. Сондықтан бұл жүйелер тұйық кеңістіктерде, тығыз қалалық аймақтарда немесе ауа сапасына қатаң талап қойылатын жерлерде өте жақсы жұмыс істейді. Олар EPA-ның ұсынған ұстанымдарына сәйкес келеді, Еуропалық таза ауа ережелерімен сәйкестігі бар және әлемдік денсаулық ұйымының ұстанымдарын да орындайды.

Тазалап алудың қиын салаларындағы оттық жасушалардың қолданылуы

Ауыр жүк көлігі: Камаздар, Автобустар, Пойыздар және Теңіз құралдары

Ауыр жүк тасымалдауға келгенде, отын яғалақтар батареялар жеткілікті дәрежеде шеше алмайтын кейбір негізгі мәселелерді шынымен шешеді. Энергия сақтау сыйымдылығы, оларды толтыруға қанша уақыт кететіні және көлік салмағына әсерін ойланыңыз. Су отынымен жұмыс істейтін көліктер қазір үлкен әсер қалдырып жатыр. Осындай үлкен тягачтар бір резервуарда 500-ден 800 километрге дейін жүре алады және толтыру үшін толық 20 минуттан кем уақыт қажет — бұл дәстүрлі дизель қозғалтқыштармен байқалатын нәрсеге ұқсайды. Бұл үлкен батареяларды тасымалдаудан үш немесе төрт тоннаға дейін қосымша салмақ қосатын нәрсені жеңіп тұр. Бұл технологияның дүниежүзі бойы дамып келе жатқанын біз қазір көріп тұрмыз — Қытайда, Еуропаның кейбір бөліктерінде және тіпті Калифорнияда 5000-нан астам су отыны автобустар жұмыс істеп жатыр. Қолдану аясы автобустармен шектелмейді де. Мысалы Германияның Coradia iLint пойызын немесе Норвегияның HYDROGEN ферри жобын қарастыруға болады. Ең алдымен порттар осыдан пайда көре алады, өйткені көпшілік контейнерлік операциялар дизельді жабдыққа негізделеді, бұл азот тотығы мен бөлшектік заттарды ауаға тым көп шығарады. От яғалақтарға ауысу шығарылатын жерде таза шығарыстарға әкеледі, бұл порттық басқарушылардың 2030 және 2050 жылдарға қарай көміртегі шығарыстарды азайту үшін қойылған қатаң Халықаралық теңіз ұйымының мақсаттарына жетуге көмектеседі.

Өнеркәсіптік Қуаттандыру және Резервтік Жүйелер: Дизелді Генераторларды Ауыстыру

Отын элементтері дерек орталықтары, ауруханалар мен зауыттар сияқты маңызды инфрақұрылымдар үшін таза және сенімді электр энергиясын қамтамасыз етеді, мұнда бұрын дизель генераторлары резервтік электрмен қамтамасыз ету көзі болып табылды. Дизельді нұсқалармен салыстырғанда, бұл жүйелер ғимарат ішінде немесе сезімтал операциялар айналасында зиянды азот оксидтерін, күкірт диоксидін немесе микробөлшектерді шығармайды. Олардың құрылысы 50 киловатттан бастап кіші орнатылымдардан 3 мегаватқа дейінгі үлкен орнатылымдарға дейін оңай масштабталуына мүмкіндік береді. Олардың жұмыс істеу уақыты негізінен сақтау батареяларының уақыт өте келе тозуына қарағанда, қолжетімді сутегі қорына байланысты. Қысылған сутегі цистерналарынан жұмыс істегенде, көбінесе қондырғылар үздіксіз толық жүктеме режимінде үш күннен аса шыдайды, бұл аумақта үлкен мөлшердегі дизель отынын сақтаумен салыстырғанда өрт қаупін азайтады. АҚШ Энергетика министрлігінің хабарлауынша, отын элементтерін резервтік қор ретінде пайдалануды қабылдаған компаниялардың саны өткен жылы шамамен 40 пайызға артты. Бұл өсу 99,999 пайыздан астам жұмыс істеу сенімділігі мен көптеген корпорациялардың қазіргі кезде бизнес шешімдерінде экологиялық, әлеуметтік және басқару мақсаттарын басымдыққа алуын ескергенде түсінікті.

Футбол қондырғысын іске қосу: инфрақұрылым, қауіпсіздік және саясат

Сутегіні сақтау, жаңарту инфрақұрылымы және жұмыс істеу қауіпсіздігі протоколдары

Су түйіршіктерін іске қосу масштабы шығындарды көбейтпейтін сутегіні жеткізудің қауіпсіз әдістеріне байланысты. Сутегіні сақтаудың негізгі үш тәсілі бар: 350-ден 700 бар дейінгі қысымдағы газ баллондары, минус 253 градус Цельсийдегі сұйық күйде сақтау және метал гидридтері немесе ерекше адсорбентті материалдарды қолданатын жаңа әдістер. Әрбір әдіс белгілі бір жағдайларға байланысты әртүрлі деңгейде жақсы жұмыс істейді. 2023 жылдың басындағы цифрларға назар аударсақ, бүкіл әлемде 160-нан астам жариялық сутегі заправка станциялары бар, олар негізінен Калифорния, Жапония, Оңтүстік Корея мен Германияның кейбір аймақтарында орналасқан. Бірақ автобустар мен камаздар сияқты үлкен көліктер үшін инфрақұрылымды кеңейткен кезде мәселелер тез пайда болады. Орташа мөлшердегі бір станцияны салу әдетте екі мен үш миллион доллар аралығында тұрады, ал рұқсат құжаттарын рәсімдеу және электр желілеріне қосылу қосымша күрделілік тудырады, бұнымен ешкім жұмыс істегісі келмейді.

Қауіпсіздік халықаралық деңгейде келісімге келген инженерлік стандарттар арқылы қамтамасыз етіледі — ISO/TS 15916, SAE J2601 және Еуропалық Сутегі Қауіпсіздігі Бойынша Нұсқаулық. Олар мыналарды талап етеді:

• 10 000-нан астам қысым циклына және баллистикалық соққыға шыдайтын сертификатталған композитті сутегі резервуарлары
• Автоматты саңылау детекторымен, жылулық өшіру құрылғысымен және қысымды босату құрылғыларымен жабдықталған отын құюшы шүмектер
• Сутегі концентрациясын 1% төменгі жанғыштық шегінен төмен ұстау үшін жабық ғимараттарды желдету жүйесі

Шынайы әлемдегі дәлелдеу Еуропаның H2 Mobility бағдарламасы сияқты инициативалардан түсті, онда 29 станцияның барлығы бойынша протоколдар стандарттастырылды — бұл кеңінен қабылдау үшін қажетті өзара іс-қимыл, қауіпсіздік және пайдаланушы сенімділігін көрсетеді.

Көміртегі бейтараптылыққа жету жолындағы отын элементтері

Отын элементтері көміртегі бейтарап экономикаларға қол жеткізу үшін, әсіресе дәстүрлі электрлендіру тиімсіз болатын жерлерде негізгі рөл атқарады. Бұл жүйелер электролиз арқылы қайталанатын энергия көздерінен алынған жасыл сутекті алады да, оны электр энергиясына айналдырып, тек қана су буды шығарады. Бұл CO₂ шығарындыларының, азот оксидтерінің немесе нақты зиянды бөлшектердің ауаға бөлінбеуін білдіреді. Оларды шынымен қызық ететін фактор – олар қайталанатын энергия көздерімен қалай жұмыс істейді. Күн немесе жел энергиясы тым көп өндірілген кезде, оны жоғалтудың орнына, біз артық энергияны сутек ретінде сақтай аламыз. Кейіннен сұраныс күрт өскенде, біз сақталған сутекті қайтадан электр энергиясына айналдырамыз. Бұл тәсіл біздің электр желілерін сенімді етуге көмектеседі және барлық адам фазалап шығаруды қалайтын ескі отындық электр станцияларына тәуелді болуды болдырмауға мүмкіндік береді.

Дүниежүзілік деңгейде сутегіге нақты ақша салынып жатыр: Халықаралық энергетикалық агенттіктің мәліметінше, 2030 жылға дейін сутегі инфрақұрылымына шамамен 100 миллиард доллар бөлінді. Оттық ұяшықтардың бағасы да 2015 жылдан бері өндіріс көлемінің ұлғаюы мен жақсырақ катализаторлық материалдар арқасында шамамен 60% төмендеді. Үкімет саясаттары да баяулау болса да, қазір осы бағытта қадамдар басылуда. Мысалы, соңғы кездегі АҚШ-тың Инфляцияны Қысқарту заңы таза сутегі үшін килограмм сайын 3 доллар салық жеңілдігін ұсынады, сондай-ақ Еуропалық Одақтың Жаңартылатын энергия директивасы. Бұл өзгерістер оттық ұяшықтардың тек эксперименталды технология болуын тоқтатып, шынымен тұрақты инфрақұрылымның бір бөлігіне айналуына мүмкіндік береді. Алдағы уақытта болжам бойынша, бұл жүйелер шығарындыларды азайту өте қиын болып табылатын салаларда энергия қажеттілігінің шамамен 15%-ын қанағаттандыруы мүмкін. Бұл біздің жалпы нөлдік мақсаттарымызға жету үшін олардың маңызы зор екенін білдіреді, бірақ олар кеңінен тарала бастау үшін әлі де жұмыс жасалуы керек.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

Оттық ұяшық дегеніміз не?
Сутегінің химиялық энергиясын оттегімен электрхимиялық әрекеттесу арқылы электр энергиясына түрлендіретін құрылғы сутегі жасушасы болып табылады.

Сутегі жасушалары шығарындыларды шығарады ма?
Сутегі жасушалары негізгі өнім ретінде су буын шығарады және CO2, NOx немесе бөлшектер сияқты реттелетін ластандырушыларды шығармайды.

Сутегі жасушаларын көлікте пайдалануға бола ма?
Иә, сутегі жасушалары ауыр тонналы көлік салаларында, мысалы жүк машиналарында, автобустарда, пойыздарда және теңіз құралдарында кеңейте пайдаланылуда.

Сутегіні пайдалану үшін қауіпсіздік шаралары қандай?
Қауіпсіздік шаралары сутегі концентраларын қауіпсіз деңгейде ұстайтын сәйкес сутегі ыдыстары, сұйықтың сақтау жүйелері мен жеткілікті желдетуді қосады.