Ako fungujú palivové články: Elektrochemická konverzia a prevádzka bez emisií

Základný elektrochemický proces: oxidácia vodíka a redukcia kyslíka

Palivové články vyrábajú elektrinu pomocou chemickej reakcie medzi vodíkom a kyslíkom, a dôležité je, že to robia bez spaľovania. Keď sa vodík dostane na anódovú stranu, rozpadá sa vďaka katalyzátoru zväčša tvorenému platínou na protóny a elektróny. Elektróny sa pohybujú vonkajšími drôtmi mimo článku a vytvárajú elektrický prúd, ktorý môžeme skutočne použiť na výrobu energie. Medzitým tieto protóny prechádzajú cez tzv. membránu na výmenu protónov (alebo PEM ako skratka) na druhú stranu článku. Keď tam na katóde tieto protóny stretnú molekuly kyslíka a elektróny, ktoré sa vrátili späť zo siete, vzniká ako vedľajší produkt len čistá voda. Celý tento proces funguje tak efektívne, pretože sa neopiera o prenos tepla, ako tradičné motory. V dôsledku toho PEM palivové články zvyčajne premieňajú približne polovicu až dve tretiny svojej vstupnej energie priamo na elektrinu. To je približne dvojnásobok toho, čo dosahujú väčšina benzínových vozidiel, keďže ich výkon je obmedzený základnými termodynamickými princípmi známymi ako Carnotov cyklus.

Hlavné výhody zahrnujú:

• Takmer tichý chod bez pohyblivých častí okrem pomocných systémov
• Stály výkon, pokiaľ je k dispozícii palivo a oxidačná látka
• Modulárna škálovateľnosť – od portatívnych jednotiek s výkonom v kilowattoch po stacionárne zariadenia s výkonom niekoľkých megawattov

Na rozdiel od batérií palivové články nie sú úložnými zariadeniami, ale meničmi energie – umožňujú trvalý prevádzkový režim bez prestávok na dobíjanie

Prečo palivové články emitujú len vodu – žiadne CO₂, NO₂ ani pevné častice

Palivové články nevydávajú žiadne regulované látky, pretože fungujú prostredníctvom elektrochemických reakcií namiesto spaľovania. Vodík jednoducho neobsahuje uhlík, čo znamená, že počas prevádzky nemôže vzniknúť CO2. Navyše sa reakcie odohrávajú maximálne pri teplote okolo 100 stupňov Celzia, čo je veľmi ďaleko od hranice 1 300 stupňov, kde začínajú vznikať oxidy dusíka. Nie sú zapojené ani plamene, takže koniec s sadzami, popolom a tými otravnými nezreagovanými uhľovodíkmi, ktoré znečisťujú vzduch. Čo teda vychádza von? V podstate len čistá vodná para, niekedy zbieraná a znova využívaná v priemyselných procesoch. Preto tieto systémy tak dobre fungujú vo vnútorných priestoroch, v rušných mestských oblastiach alebo kdekoľvek, kde sú prísne požiadavky na kvalitu ovzdušia. Presne zodpovedajú odporúčaniam EPA, vyhovujú európskym predpisom o čistom ovzduší a spĺňajú aj smernice Svetovej zdravotníckej organizácie.

Aplikácie palivových článkov v ťažko znižovateľných odvetviach

Ťažká doprava: nákladné autá, autobusy, vlaky a námorné plavidlá

Pokiaľ ide o ťažkú dopravu, palivové články skutočne riešia niekoľko hlavných problémov, s ktorými batérie nepostrádajú dostatočnú úroveň výkonnosti. Zamyslite sa nad kapacitou úložiska energie, časom potrebným na opätovné naplnenie a vplyvom na hmotnosť vozidla. Práve teraz získavajú obľubu aj nákladné autá poháňané vodíkom. Tieto veľké ťahače dokážu prejsť od 500 do 800 kilometrov na jedno nabitie a doplnenie paliva trvá menej ako dvadsať minút – čo je porovnateľné s tradičnými dieselovými motormi. To predstavuje výrazné zlepšenie oproti preprave obrovských batérií, ktoré by pribudli niekde okolo troch až štyroch ton navyše. Túto technológiu už dnes vidíme rozvíjať po celom svete, keď viac ako päťtisíc autobusov na vodík beží v miestach ako Čína, niektoré časti Európy a dokonca Kalifornia. Aplikácie sa rozširujú nielen na autobusy. Jeden príklad predstavuje vlak Coradia iLint z Nemecka, iným môže byť projekt HYDROGEN ferry v Nórsku. Práve prístavy majú veľký potenciál z toho profitovať, keď väčšina kontajnerových operácií silne závisí od dieselového vybavenia, ktoré vypúšťa príliš veľa oxidov dusíka a pevných častíc do ovzdušia. Prechod na palivové články znamená nulové emisie presne tam, kde vznikajú, čo pomáha prístavným orgánom dosiahnuť prísne ciele Medzinárodnej námornej organizácie pre zníženie uhlíkových emisií do roku 2030 a 2050.

Priemyselné napájacie a záložné systémy: Náhrada dieselových generátorov

Palivové články poskytujú čistú a spoľahlivú energiu pre kritickú infraštruktúru ako sú dátové centrá, nemocnice a továrne, kde sa dieselové generátory tradične používajú ako záložné zdroje energie. V porovnaní s dieselovými riešeniami tieto systémy neuvľňujú škodlivé oxidy dusíka, oxid síry alebo malé častice vo vnútorných priestoroch alebo v okolí citlivých prevádzok. Ich konštrukcia umožňuje jednoduché škálovanie od malých inštalácií s výkonom 50 kilowattov až po obrovské systémy s výkonom až 3 megawatty. Doba prevádzky závisí predovšetkým na dostupnom množstve vodíka, nie na obavách z opotrebenia batérií v čase. Pri prevádzke pomocou stlačených nádrží na vodík môžu väčšina jednotiek zvládnuť plnú záťaž viac ako tri dni bez prestávky, čo znižuje požiarny nebezpečenstvo v porovnaní s uchovovaním veľkého množstva dieselového paliva na mieste. Ministerstvo energetiky Spojených štátov uviedlo, že počet spoločností prijímajúcich palivové články ako záložný zdroj sa vlani zvýšil o približne 40 percent. Tento rast je pochopiteľný, pokiaľ sa zváži ich úžasná úroveň spoľahlivosti vyše 99,999 percent dostupnosti, ako aj skutočnosť, že mnohé korporácie dnes uprednostňujú environmentálne, sociálne a riadiace ciele vo svojich podnikových rozhodnutiach.

Podpora ekosystému palivových článkov: infraštruktúra, bezpečnosť a politika

Ukladanie vodíka, infraštruktúra na dopĺňanie paliva a prevádzkové bezpečnostné protokoly

Nasadzenie palivových článkov v rozsahu skutočne závisí od bezpečných spôsobov dopravy vodíka, ktoré nezničia rozpočet. V podstate existujú tri hlavné prístupy k uchovávaniu vodíka: tlakové nádoby s plynom pri tlaku približne 350 až 700 barov, nadmieru chladný kvapalný stav uložený pri teplote mínus 253 stupňov Celzia a novšie možnosti založené na kovových hydridoch alebo špeciálnych adsorbentných materiáloch. Každá metóda je vhodnejšia pre iné situácie v závislosti od toho, čo treba vykonať. Pohľadom na údaje pri vstupe do roku 2023 existuje viac ako 160 verejných vodíkových čerpacích staníc po celom svete, najmä v oblastiach ako Kalifornia, Japonsko, Južná Kórea a niektoré časti Nemecka. Avšak keď ide o rozširovanie tejto infraštruktúry pre väčšie vozidlá ako kamióny a autobusy, komplikácie rýchlo narastajú. Vybudovanie jednej stredne veľkej stanice bežne stojí medzi dvoma a tromi miliónmi dolárov, a to bez započítania administratívnej práce spojenej s povoleniami a pripojením k existujúcim elektrickým sieťam, čo predstavuje ďalší stupeň komplikovanosti, s ktorým si nikto nechce dávať prácu.

Bezpečnosť je riešená prostredníctvom medzinárodne harmonizovaných technických noriem – najmä ISO/TS 15916, SAE J2601 a Európska príručka pre bezpečnosť vodíka. Tieto predpisy stanovujú:

• Kompozitné nádrže na vodík certifikované na odolanie viac ako 10 000 tlakových cyklov a pri strelných skúškach
• Plniace dýzy s automatickým zisťovaním úniku, tepelným vypnutím a zariadeniami na uvoľnenie tlaku
• Ventiláciu uzavretých priestorov navrhnutú tak, aby koncentrácia vodíka zostala pod dolnou hranicou horľavosti 1 %

Overenie z reálneho sveta pochádza z iniciatív, ako je európsky program H2 Mobility, ktorý štandardizoval protokoly na 29 staničiach – čím dokázal interoperabilitu, bezpečnosť a dôveru používateľov nevyhnutnú pre široké prijatie.

Palivové články na ceste k uhlíkovej neutrálite

Palivové články sa javia ako kľúčoví hráči v snímaní uhlíkovo neutrálnej ekonomiky, najmä v oblastiach, kde tradičná elektrifikácia nestačí. Tieto systémy využívajú zelený vodík vyrobený z obnoviteľných zdrojov elektrolýzou a premieňujú ho na elektrinu, pričom vzniká len vodná para. To znamená žiadne emisie CO₂, žiadne oxidy dusíka a určite žiadne škodlivé častice uvoľňované do ovzdušia. Čo ich skutočne zaujímavé je ich spolupráca s obnoviteľnými zdrojmi energie. Keď sa vyrábí príliš veľa energie zo slnečného alebo veterného zdroja, namiesto jej plytvania môžeme prebytočnú energiu uložiť vo forme vodíka. Neskôr, keď dôjde k nárastu dopytu, jednoducho premeníme uložený vodík späť na elektrinu. Tento prístup pomáha urobiť naše elektrické siete odolnejšie bez závislosti na staromódnych záložných elektrárňach spaľujúcich fosílne palivá, ktoré všetci chcú postupne zrušiť.

Svet začína skutočne investovať do vodíka ako do kľúčového člena: podľa Medzinárodnej agentury pre energiu bolo vyhradených približne 100 miliárd USD na infraštruktúru pre vodík do roku 2030. Ceny palivových článkov tiež výrazne klesli, a to o približne 60 % od roku 2015, a to vďaka väčším výrobným sériám a lepším katalytickým materiálom. Štátne politiky tiež začínajú dobiehať. Stačí napríklad uvážiť nedávny americký zákon o znížení inflácie, ktorý ponúka daňovú úľavu vo výške 3 USD na kilogram pre čistý vodík, alebo aktualizovaný Smernica Európskej únie o obnoviteľnej energii. Tieto zmeny znamenajú, že palivové články už nie sú len experimentálne, ale postupne sa stávajú súčasťou bežnej infraštruktúry. Pohľadom do budúcnosti odhady ukazujú, že tieto systémy by mohli pokryť približne 15 % energetických potrieb v odvetviach, kde je zníženie emisií skutočne náročné. To ich činí dosť dôležitými, ak chceme dosiahnuť ciele pre čistú nulu, hoci ešte treba vykonať prácu, než sa stanú všeobecne rozšírenými.

Často kladené otázky

Čo je palivový článok?
Palivový článok je zariadenie, ktoré premieňa chemickú energiu vodíka na elektrickú energiu prostredníctvom elektrochemickej reakcie s kyslíkom.

Vyrábajú palivové články emisie?
Palivové články hlavne produkujú vodnú paru ako vedľajší produkt a nevypúšťajú regulované znečisťujúce látky, ako sú CO2, NOx alebo prachové častice.

Možno použiť palivové články v doprave?
Áno, palivové články sa čoraz viac používajú v ťažkých dopravných odvetviach vrátane nákladných áut, autobusov, vlakov a námorných plavidiel.

Aké sú bezpečnostné opatrenia pri používaní vodíka?
Bezpečnostné opatrenia zahŕňajú certifikované nádrže na vodík, systémy detekcie úniku a vhodné vetranie, aby sa udržali koncentrácie vodíka na bezpečnej úrovni.