Jak działają komórki paliwowe: Elektrochemiczna konwersja i zeroemisyjna praca

Podstawowy proces elektrochemiczny: utlenianie wodoru i redukcja tlenu

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną, wykorzystując reakcję chemiczną między wodorem a tlenem, przy czym istotne jest to, że nie następuje spalanie. Gdy wodór dociera do strony anody, rozkłada się na protony i elektrony dzięki obecności katalizatora, składającego się głównie z platyny. Elektrony przemieszczają się przez przewody poza ogniwem, tworząc prąd elektryczny, który możemy wykorzystać jako źródło energii. Tymczasem protony przechodzą przez tzw. membranę wymiany protonów (ang. PEM – proton exchange membrane) na drugą stronę ogniwa. Tam, po stronie katody, protony łączą się z cząsteczkami tlenu oraz elektronami, które wróciły do układu poprzez obwód. W efekcie powstaje wyłącznie czysta woda jako produkt uboczny. Cały ten proces działa bardzo wydajnie, ponieważ nie opiera się na przekazywaniu ciepła, jak tradycyjne silniki. W rezultacie ogniwa paliwowe PEM przetwarzają zwykle od połowy do dwóch trzecich energii wejściowej bezpośrednio na energię elektryczną. To około dwukrotność tego, co osiągają większość pojazdów z silnikami benzynowymi, których sprawność ograniczona jest podstawowymi zasadami termodynamiki znanymi jako cykl Carnota.

Główne zalety obejmują:

• Prawie całkowita cisza pracy bez ruchomych części poza systemami pomocniczymi
• Nieprzerwane dostarczanie mocy, o ile jest dostarczane paliwo i utleniacz
• Modułowa skalowalność — od przenośnych jednostek o mocy kilkunastu kilowatów do stacjonarnych instalacji wielomegawatowych

W przeciwieństwie do akumulatorów, ogniwa paliwowe są przetwornikami energii, a nie urządzeniami do jej magazynowania — umożliwiają ciągłą pracę bez przerw na ładowanie

Dlaczego ogniwa paliwowe emitują jedynie wodę — bez CO₂, NO₂ ani cząstek stałych

Ogniwa paliwowe nie emitują żadnych regulowanych substancji, ponieważ działają poprzez reakcje elektrochemiczne zamiast spalania. Wodór po prostu nie zawiera węgla, co oznacza, że podczas pracy nie może powstać CO2. Dodatkowo reakcje te zachodzą maksymalnie w temperaturze około 100 stopni Celsjusza, daleko poniżej progu 1300 stopni, przy którym zaczynają powstawać tlenki azotu. Nie ma również płomienia, więc odpada sadza, popiół oraz irytujące niespalone węglowodory, które zanieczyszczają powietrze. Co zatem powstaje? Praktycznie wyłącznie czysta para wodna, którą czasem zbiera się i ponownie wykorzystuje w procesach przemysłowych. Dlatego właśnie te systemy tak dobrze sprawdzają się wewnątrz pomieszczeń, w gęsto zabudowanych obszarach miejskich lub wszędzie tam, gdzie obowiązują rygorystyczne normy jakości powietrza. Doskonale wpisują się one w zalecenia EPA, spełniają europejskie przepisy dotyczące czystego powietrza oraz wytyczne Światowej Organizacji Zdrowia.

Zastosowania ogniw paliwowych w sektorach trudnych do zneutralizowania

Transport ciężki: ciężarówki, autobusy, pociągi i jednostki morskie

Gdy chodzi o transport ciężki, ogniwa paliwowe naprawdę rozwiązują kilka głównych problemów, z którymi baterie nie radzą sobie wystarczająco dobrze. Chodzi tu o pojemność magazynowania energii, czas potrzebny na ich uzupełnienie oraz wpływ na wagę pojazdu. Ciężarówki napędzane wodorem są obecnie bardzo popularne. Te duże ciągniki mogą przejechać od 500 do 800 kilometrów na jednym zbiorniku, a uzupełnienie paliwa trwa mniej niż dwadzieścia minut – podobnie jak w przypadku tradycyjnych silników diesla. To znacznie lepsze niż przewożenie ogromnych zestawów baterii, które dodatkowo zwiększyłyby masę o około trzy do czterech ton. Obserwujemy już dynamiczny rozwój tej technologii na całym świecie – w Chinach, części Europy oraz w Kalifornii kursuje ponad pięć tysięcy autobusów zasilanych wodorem. Zastosowania tej technologii rozszerzają się także poza autobusy. Przykładem może być niemiecki pociąg Coradia iLint lub norweski projekt promu HYDROGEN. Szczególnie korzyści mogą mieć porty, ponieważ większość operacji kontenerowych opiera się na sprzęcie diesla, który emituje zbyt dużą ilość tlenków azotu i materii cząstkowej do atmosfery. Przejście na ogniwa paliwowe oznacza zerowe emisje dokładnie tam, gdzie powstają, co pomaga władzom portowym w osiągnięciu surowych celów Międzynarodowej Organizacji Morskiej dotyczących redukcji emisji węgla do 2030 i 2050 roku.

Przemysłowe systemy zasilania i rezerwowe: Zastępowanie generatorów diesla

Ogniwa paliwowe zapewniają czystą i niezawodną energię dla krytycznej infrastruktury, takiej jak centra przetwarzania danych, szpitale i fabryki, gdzie tradycyjnie jako rezerwowe źródła zasilania służyły generatory diesla. W porównaniu z wersjami na diesel, te systemy nie emitują szkodliwych tlenków azotu, dwutlenku siarki ani drobnych cząstek wewnątrz budynków czy w pobliżu delikatnych procesów. Ich konstrukcja pozwala łatwo skalować je od małych instalacji o mocy 50 kilowatów aż po ogromne systemy sięgające 3 megawatów. Czas pracy zależy głównie od dostępnych zapasów wodoru, a nie od obawy zużycia się baterii w czasie. Przy zasilaniu ze sprężonych zbiorników wodorowych większość jednostek może pracować w pełnym obciążeniu ponad trzy dni z rzędu, co zmniejsza ryzyko pożaru w porównaniu do magazynowania dużych ilości paliwa diesla na terenie obiektu. Departament Energii USA poinformował, że w zeszłym roku liczba firm stosujących rezerwowe ogniwa paliwowe wzrosła o około 40 procent. Ten rozwój jest zrozumiały, jeśli weźmie się pod uwagę ich niesamowicie wysoki wskaźnik niezawodności powyżej 99,999 procent czasu działania, a także fakt, że obecnie wiele korporacji stawia sobie za cel osiągnięcie celów związanych ze środowiskiem, społeczeństwem i zarządzaniem.

Włączanie ekosystemu ogniw paliwowych: infrastruktura, bezpieczeństwo i polityka

Przechowywanie wodoru, infrastruktura tankowania i protokoły bezpieczeństwa operacyjnego

Wdrożenie ogniw paliwowych na dużą skalę zależy przede wszystkim od bezpiecznych sposobów dostarczania wodoru, które nie będą wykraczać poza budżet. Istnieją zasadniczo trzy główne metody magazynowania wodoru: zbiorniki ciśnieniowe pod ciśnieniem około 350 do 700 bar, ciekły wodór przechowywany w temperaturze minus 253 stopni Celsjusza oraz nowsze rozwiązania wykorzystujące hydridy metali lub specjalne materiały adsorpcyjne. Każda z tych metod sprawdza się lepiej w innych sytuacjach, w zależności od konkretnego zastosowania. Analizując dane z początkiem 2023 roku, na świecie istnieje ponad 160 publicznych stacji napełniowych wodorowych, głównie w takich miejscach jak Kalifornia, Japonia, Korea Południowa oraz częściach Niemiec. Jednak rozbudowa tej infrastruktury dla większych pojazdów, takich jak ciężarówki czy busy, staje się szybko skomplikowana. Budowa jednej średniej stacji zazwyczaj kosztuje od dwóch do trzech milionów dolarów, nie licząc kosztów administracyjnych związanych z uzyskaniem pozwoleń oraz podłączenia do istniejącej sieci energetycznej, co dodatkowo komplikuje cały proces i nikomu nie sprawia przyjemności.

Bezpieczeństwo jest realizowane poprzez międzynarodowo uzgodnione standardy inżynieryjne, w tym ISO/TS 15916, SAE J2601 oraz Europejską Księgę Bezpieczeństwa Wodoru. Te standardy wymagają:

• Złożonych zbiorników wodorowych certyfikowanych do wytrzymywania ponad 10 000 cykli ciśnienia oraz oddziaływania balistycznego
• Złączek do tankowania wyposażonych w automatyczne wykrywanie wycieków, termiczne zabezpieczenie wyłączenia oraz urządzenia do odprowadzania ciśnienia
• Wentylacji w zamkniętych obiektach zaprojektowanej tak, aby utrzymać stężenie wodoru poniżej 1% dolnej granicy wybuchowości

Walidację w warunkach rzeczywistych zapewniają inicjatywy takie jak europejski program H2 Mobility, który ustandaryzował protokoły na 29 stacjach – wykazując interoperacyjność, bezpieczeństwo oraz zaufanie użytkowników niezbędne do szerokiego wdrożenia.

Ogniwowa Komórki Paliwowe na Ścieżce do Neutralności Węglowej

Ogniwowa paliwowe odgrywają kluczową rolę w dążeniu do gospodarki neutralnej węglowej, szczególnie w obszarach, gdzie tradycyjna elektryfikacja nie wystarcza. Te systemy wykorzystują zielony wodór, wytwarzany z odnawialnych źródeł energii poprzez elektrolizę, i przekształcają go w energię elektryczną, produkując jedynie parę wodną. Oznacza to zero emisji CO₂, zero tlenków azotu i na pewno żadnych szkodliwych cząstek wydostających się do powietrza. Co czyni je szczególnie interesujące, jest ich współpraca z odnawialnymi źródłami energii. Gdy powstaje zbyt dużo energii z słońca lub wiatru, zamiast marnować ją, możemy magazynować ten nadmiar jako wodór. Później, gdy zapotrzebowanie gwałtownie rośnie, po prostu przekształcamy zmagazynowany wodór z powrotem na energię elektryczną. To podejście pomaga uczynić nasze sieci energetyczne bardziej odporne, bez konieczności polegania na tradycyjnych elektrowniach spalających paliwa kopalne, które wszyscy chcą wyeliminować.

Świat inwestuje realne pieniądze w wodór jako ważnego gracza: według Międzynarodowej Agencji Energii do 2030 roku na cele infrastruktury wodorowej zostanie przeznaczone około 100 miliardów dolarów. Ceny ogniw paliwowych również znacząco spadły, o około 60% od 2015 roku, dzięki większym seriom produkcyjnym i lepszym materiałom katalizatorów. Również polityka rządów zaczyna się zmieniać. Weźmy najnowsze amerykańskie Inflation Reduction Act, które oferuje ulgę podatkową w wysokości 3 dolarów na kilogram dla czystego wodoru, czy zaktualizowaną Dyrektywę UE w sprawie energii odnawialnej. Te zmiany oznaczają, że ogniwa paliwowe przestają być tylko eksperymentalne i stają się rzeczywistym elementem infrastruktury. Prognozy wskazują, że w przyszłości te systemy mogą pokryć około 15% zapotrzebowania na energię w sektorach, w których redukcja emisji jest szczególnie trudna. To czyni je bardzo istotnym elementem w osiąganiu celów zerowej emisji, choć zanim staną się powszechne, nadal trzeba wykonać sporo pracy.

Często zadawane pytania

Czym jest ogniwo paliwowe?
Ogniwo paliwowe to urządzenie, które przekształca chemiczną energię wodoru w energię elektryczną poprzez elektrochemiczne reakcje z tlenem.

Czy ogniwa paliwowe produkują emisje?
Ogniwa paliwowe wytwarzają głównie parę wodną jako produkt uboczny i nie emitują zanieczyszczeń regulowanych, takich jak CO2, NOx czy cząstki stałe.

Czy ogniwa paliwowe można wykorzystywać w transporcie?
Tak, ogniwa paliwowe są coraz częściej stosowane w sektorze transportu ciężkiego, w tym w ciężarówkach, autobusach, pociągach oraz jednostkach morskich.

Jakie są środki bezpieczeństwa przy użyciu wodoru?
Środki bezpieczeństwa obejmują certyfikowane zbiorniki na wodór, systemy wykrywania wycieków oraz odpowiednią wentylację zapewniającą bezpieczne stężenie wodoru.