Как работают топливные элементы: электрохимическое преобразование и эксплуатация с нулевыми выбросами

Основной электрохимический процесс: окисление водорода и восстановление кислорода

Топливные элементы вырабатывают электричество посредством химической реакции между водородом и кислородом, и, что особенно важно, делают это без сжигания какого-либо топлива. Когда водород поступает на сторону анода, он распадается на протоны и электроны под действием катализатора, состоящего в основном из платины. Электроны движутся по внешним проводам за пределами ячейки, создавая электрический ток, который мы можем использовать для питания устройств. Тем временем протоны проходят через так называемую протонообменную мембрану (или сокращённо PEM) к другой стороне ячейки. Достигнув катода, эти протоны соединяются с молекулами кислорода и электронами, которые вернулись по внешней цепи. В результате образуется исключительно чистая вода как побочный продукт. Всё этот процесс работает чрезвычайно эффективно, поскольку не зависит от передачи тепла, как традиционные двигатели. В результате, PEM-топливные элементы, как правило, преобразуют от половины до двух третей поступающей энергии непосредственно в электричество. Это примерно в два раза больше, чем достигается большинством бензиновых автомобилей, так как их эффективность ограничена фундаментальными термодинамическими принципами, известными как цикл Карно.

К основным преимуществам относятся:

• Практически бесшумная работа без движущихся частей, кроме вспомогательных систем
• Постоянная мощность, пока подается топливо и окислитель
• Модульная масштабируемость — от портативных киловаттных установок до стационарных мегаваттных электростанций

В отличие от аккумуляторов, топливные элементы являются преобразователями энергии, а не устройствами для её хранения — что обеспечивает непрерывную работу без простоев на подзарядку

Почему топливные элементы выделяют только воду — без CO₂, NO₂ или твёрдых частиц

Топливные элементы не выделяют никаких регулируемых выбросов, поскольку работают на основе электрохимических реакций, а не сжигания топлива. Водород просто не содержит углерода, а значит, в процессе эксплуатации не может образовываться CO2. Кроме того, реакции происходят при температях не более 100 градусов Цельсия — это далеко от отметки 1300 градусов, при которой начинают образовываться оксиды азота. Также не возникает пламя, поэтому исчезают сажа, зола и назойливые несгоревшие углеводороды, загрязняющие воздух. Что выходит в результате? По сути, только чистый водяной пар, который иногда собирают и используют в промышленных процессах. Именно поэтому такие системы отлично работают внутри зданий, в густонаселённых городских районах или везде, где предъявляются жёсткие требования к качеству воздуха. Они полностью соответствуют рекомендациям Агентства по охране окружающей среды (EPA), европейским нормам чистого воздуха и также отвечают руководящим принципам Всемирной организации здравоохранения.

Области применения топливных элементов в труднодоступных для декарбонизации секторах

Тяжёлый транспорт: грузовики, автобусы, поезда и морские суда

Когда речь заходит о тяжелых перевозках, топливные элементы действительно решают ряд серьезных проблем, с которыми аккумуляторы справляются недостаточно хорошо. Речь идет о емкости энергохранилища, времени, необходимом для его заправки, и влиянии на вес транспортного средства. В настоящее время особое внимание привлекают грузовики на водородном топливе. Эти крупные автомобили могут проехать от 500 до 800 километров на одном баке, а заправка занимает менее двадцати минут — практически так же, как у традиционных дизельных двигателей. Это намного эффективнее, чем перевозка массивных аккумуляторных блоков, которые добавят лишние три-четыре тонны веса. Эта технология уже активно развивается по всему миру: например, в Китае, некоторых странах Европы и даже в Калифорнии сегодня эксплуатируется более пяти тысяч водородных автобусов. Области применения расширяются не только за счет автобусов. В качестве примера можно привести поезд Coradia iLint в Германии или проект парома HYDROGEN в Норвегии. Особенно выигрышным будет внедрение таких технологий в портах, поскольку большинство контейнерных операций в значительной степени зависят от дизельной техники, выбрасывающей слишком много оксидов азота и твердых частиц в атмосферу. Переход на топливные элементы обеспечивает нулевые выбросы именно в местах их образования, что помогает портовым властям достигать строгих целей Международной морской организации по сокращению выбросов углерода к 2030 и 2050 годам.

Промышленные системы электропитания и резервного копирования: Замена дизель-генераторов

Топливные элементы обеспечивают чистую и надежную электроэнергию для критически важной инфраструктуры, такой как центры обработки данных, больницы и заводы, где традиционно в качестве резервных источников энергии использовались дизельные генераторы. По сравнению с дизельными установками, эти системы не выделяют вредные оксиды азота, диоксид серы или мелкие частицы внутри зданий или вблизи чувствительных операций. Конструкция топливных элементов позволяет легко масштабировать их — от небольших установок мощностью 50 киловатт до крупных систем мощностью до 3 мегаватт. Продолжительность их работы в основном зависит от доступных запасов водорода, а не от износа аккумуляторов с течением времени. При использовании сжатых баллонов с водородом большинство установок могут поддерживать полную нагрузку непрерывно более трех дней, что снишает пожарные риски по сравнению с хранением большого количества дизельного топлива на объекте. Министерство энергетики США сообщило, что в прошлом году количество компаний, внедряющих резервные топливные элементы, увеличилось примерно на 40 процентов. Этот рост объясним при рассмотрении их исключительной надежности — более 99,999 процентов времени без простоя, а также тот факт, что многие корпорации сегодня приоритетно учитывают экологические, социальные и управленческие цели в своих бизнес-решениях.

Развитие экосистемы топливных элементов: инфраструктура, безопасность и нормативно-правовое регулирование

Хранение водорода, инфраструктура заправки и протоколы эксплуатационной безопасности

Масштабное развертывание топливных элементов действительно зависит от безопасных способов доставки водорода, которые не приведут к большим расходам. Существует в основном три основных подхода к хранению водорода: сжатые газовые резервуары под давлением около 350–700 бар, сверхохлаждённая жидкость, хранящаяся при температуре минус 253 градусов Цельсия, и более новые варианты, включающие металлогидриды или специальные адсорбционные материалы. Каждый метод более эффективен в различных ситуациях в зависимости от требуемых задач. Анализируя данные на начало 2023 года, по всему миру существует более 160 публичных станций заправки водородом, в основном расположенных в таких регионах, как Калифорния, Япония, Южная Корея и некоторые части Германии. Однако при расширении этой инфраструктуры для более крупных транспортных средств, таких как грузовики и автобусы, возникают серьёзные сложности. Строительство одной станции среднего размера обычно стоит от двух до трёх миллионов долларов, не считая всей документации, необходимой для получения разрешений, а также подключения к существующим электросетям, что добавляет дополнительный уровень сложности, с которым никто не хочет сталкиваться.

Безопасность обеспечивается на основе согласованных международных инженерных стандартов, в частности ISO/TS 15916, SAE J2601 и Европейского руководства по безопасности водорода. Эти стандарты требуют:

• Композитные водородные баки, сертифицированные для выдерживания более 10 000 циклов давления и воздействия пулевых ударов
• Заправочные разъёмы с автоматическим обнаружением утечек, термическим отключением и устройствами сброса давления
• Система вентиляции в закрытых помещениях, предназначенная для поддержания концентрации водорода ниже нижнего предела воспламеняемости — 1%

Подтверждение на практике получено в рамках таких инициатив, как европейская программа H2 Mobility, которая стандартизировала протоколы на 29 станциях — что продемонстрировало совместимость, безопасность и доверие пользователей, необходимые для широкого внедрения.

Топливные элементы на пути к углеродной нейтральности

Топливные элементы выделяются как ключевые игроки в стремлении к углеродно-нейтральной экономике, особенно в тех областях, где традиционная электрификация неэффективна. Эти системы используют зелёный водород, полученный из возобновляемых источников с помощью электролиза, и преобразуют его в электричество, производя только водяной пар. Это означает, что не выделяется CO₂, оксиды азота и уж точно никакие вредные частицы не поступают в атмосферу. Особенно интересен их синергетический эффект с возобновляемыми источниками энергии. Когда вырабатывается слишком много солнечной или ветровой энергии, вместо её потерь избыток можно сохранить в виде водорода. Впоследствии, когда спрос резко возрастает, мы просто преобразуем накопленный водород обратно в электричество. Этот подход помогает сделать наши энергосети более устойчивыми, не полагаясь на устаревшие электростанции резервного питания на ископаемом топливе, которые все стремятся постепенно исключить.

Мир выделяет реальные деньги на водород как ключевого игрока: по данным Международного энергетического агентства, к 2030 году на развитие инфраструктуры водорода будет выделено около 100 миллиардов долларов. Цены на топливные элементы также значительно снизились — примерно на 60% с 2015 года благодаря увеличению объемов производства и улучшению катализаторных материалов. Государственная политика тоже начинает поспевать за этим процессом. Например, недавний Закон США о снижении инфляции предусматривает налоговый вычет в размере 3 долларов за килограмм чистого водорода, а также обновлённая Директива Европейского союза по возобновляемой энергии. Эти изменения означают, что топливные элементы больше не являются экспериментальными, а становятся частью обычной инфраструктуры. В перспективе оценки показывают, что такие системы могут удовлетворить примерно 15% потребностей в энергии в отраслях, где особенно сложно сокращать выбросы. Это делает их весьма важными для достижения целей по нулевому балансу выбросов, хотя до повсеместного распространения ещё остаётся проделать определённую работу.

Часто задаваемые вопросы

Что такое топливный элемент?
Топливный элемент — это устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую посредством электрохимической реакции с кислородом.

Выделяют ли топливные элементы вредные вещества?
Топливные элементы в основном производят водяной пар в качестве побочного продукта и не выделяют регулируемые загрязнители, такие как CO2, NOx или частицы.

Можно ли использовать топливные элементы в транспорте?
Да, топливные элементы всё чаще используются в тяжелом транспорте, включая грузовики, автобусы, поезда и морские суда.

Какие меры безопасности необходимы при использовании водорода?
Меры безопасности включают сертифицированные баки для водорода, системы обнаружения утечек и надлежащую вентиляцию для поддержания безопасной концентрации водорода.