Kako delujejo celice goriv: Elektrokemična pretvorba in brez-emisijsko delovanje

Osnovni elektrokemični proces: oksidacija vodika in redukcija kisika

Gorilne celice ustvarjajo elektriko s kemično reakcijo med vodikom in kisikom, pri čemer pomembno ničesar ne izgorevajo. Ko vodik doseže anodno stran, se zaradi katalizatorja, ki je večinoma sestavljen iz platine, razgradi na protone in elektrone. Elektroni se premikajo po zunanjih žicah izven celice in ustvarjajo električni tok, ki ga lahko dejansko uporabimo za napajanje. Medtem ti protoni predirajo skozi nekaj, kar imenujemo membrana za izmenjavo protonov (ali krajše PEM), na drugo stran celice. Ko pridejo na katodo, se ti protoni združijo s kisikovimi molekulami in elektroni, ki so se vrnili iz vezja. Skupaj tvorijo le čisto vodo kot stranski produkt. Celoten proces deluje zelo učinkovito, ker se ne zanaša na prenos toplote, kot to počnejo tradicionalni motorji. Posledično PEM gorilne celice običajno pretvorijo približno polovico do dveh tretjin vhodne energije neposredno v elektriko. To je približno dvakrat več, kot jih uspe večini vozil z bencinskim pogonom, saj je njihova učinkovitost omejena s temeljnimi termodinamičnimi principi, znanimi kot Carnotov cikel.

Ključne prednosti vključujejo:

• Skoraj tiho delovanje brez gibljivih delov, razen pomožnih sistemov
• Neprekinjen izhodni močni tok, dokler se dobavlja gorivo in oksidant
• Modularna razširljivost – od prenosnih enot v kilovatih do večmegavatnih nepremičnih naprav

Za razliko od baterij gorilne celice pretvarjajo energijo, ne shranjujejo je – omogočajo neprekinjeno delovanje brez prostovolja za polnjenje

Zakaj gorilne celice oddajajo le vodo – brez CO₂, NO₂ ali delcev

Gorilne celice ne oddajajo nobenih reguliranih snovi, saj delujejo preko elektrokemijskih reakcij namesto z zgorevanjem. Vodik preprosto ne vsebuje ogljika, kar pomeni, da med obratovanjem ni mogoče nastajanje CO2. Poleg tega se reakcije dogajajo pri največ okoli 100 stopinj Celzija, kar je zelo daleč od 1.300 stopinj, kjer se začnejo oblikovati dušikovi oksidi. Ni vključjeno nobeno plamen, tako da odpadejo saje, pepel in težko zgoreni ogljikovodiki, ki onesnažujejo zrak. Kaj pa dejansko izstopa? V osnovi le čista vodna para, ki se včasih zbere in ponovno uporabi v industrijskih procesih. Zato te sisteme delujejo tako dobro v zaprtih prostorih, v gostih mestnih območjih ali kjerkoli je občutljivost glede standardov kakovosti zraka. Ujemajo se popolnoma z priporočili EPA, ujemajo se z evropskimi predpisi o čistem zraku in izpolnjujejo tudi smernice Svetovne zdravstvene organizacije.

Uporaba gorilnih celic v sektorjih, ki jih težko zmanjšujemo

Težki promet: Kamioni, avtobusi, vlaki in pomorska plovila

Ko gre za tovorni promet, gorilne celice resnično rešujejo nekaj glavnih težav, s katerimi baterije preprosto ne morejo učinkovito obravnavati. Pomislite na zmogljivost shranjevanja energije, čas polnjenja in vpliv na težo vozila. Trenutno prav tako zaznamujemo porast popularnosti tovornjakov na vodik. Ti veliki tovornjaki lahko prevozijo od 500 do 800 kilometrov na en sam rezervoar, ponovno polnjenje pa traja manj kot dvajset minut – kar je primerljivo s tradicionalnimi dizelskimi motorji. To je bistveno boljše kot prevažanje ogromnih baterij, ki bi dodale dodatne tri do štiri tone teže. Po svetu že opažamo hitro rast uporabe te tehnologije, saj v državah, kot so Kitajska, dele Evrope in celo Kalifornija, že vozi več kot pet tisoč avtobusov na vodik. Uporaba tehnologije se razširja tudi izven avtobusov. Vzemimo nemški vlak Coradia iLint kot eden primer ali norveški projekt paroma HYDROGEN kot drug primer. Posebej koristna bi bila uporaba gorilnih celic v pristaniščih, saj večina container operacij zelo zanaša na dizelsko opremo, ki v zrak oddaja preveč dušikovega oksida in delcev. Prehod na gorilne celice pomeni nič emisij natanko tam, kjer pridejo do izraza, kar pomaga pristaniškim organom doseči stroge cilje Mednarodne pomorske organizacije za zmanjšanje ogljičnih emisij do leta 2030 in 2050.

Industrijski sistemi za napajanje in rezervne vire: Zamenjava dizelskih generatorjev

Gorilne celice zagotavljajo čisto in zanesljivo električno energijo za kritično infrastrukturo, kot so računalniška središča, bolnišnice in tovarne, kjer so tradicionalno dizelski generatorji služili kot rezervni viri električne energije. V primerjavi s sistemom na dizel, te sisteme ne sproščajo škodljivih dušikovih oksidov, žveplovega dioksida ali majhnih delcev znotraj stavb ali okoli občutljivih procesov. Način njihove izgradnje omogoča enostavno razširitev od majhnih namestitvenih enot z močjo 50 kilovatov vse do ogromnih sistemov z močjo do 3 megavatov. Čas obratovanja je odvisen predvsem od razpoložljive zaloge vodika, namesto skrbi glede staranja baterij s časom. Ko delujejo na stisnjenih rezervoarjih z vodikom, lahko večina enot vzdrži polno obremenitev več kot tri zaporedna dni, kar zmanjša tveganje požara v primerjavi s shranjevanjem velikih količin dizelskega goriva na lokaciji. Ministrstvo za energijo ZDA je poročalo, da se je število podjetij, ki uporabljajo gorilne celice kot rezervni vir, lansko leto povečalo za približno 40 odstotkov. Ta rast je razumljiva, če upoštevamo njihovo izjemno stopnjo zanesljivosti, ki presega 99,999-odstotno obratovanje, poleg tega, ker mnoga podjetja danes v svojih poslovnih odločitvah prednostno obravnavajo cilje okoljske, družbene in upravljalne odgovornosti.

Omogočanje ekosistema gorilnih celic: infrastruktura, varnost in politika

Shranjevanje vodika, infrastruktura za polnjenje in varnostni protokoli pri obratovanju

Uvedba gorivnih celic v večjem merilu resnično odvisna na varnih načinih dostave vodika, ki ne bodo preveč obremenili proračuna. Obstajajo tri osnovne metode za shranjevanje vodika: stisljene plinske posode pri tlaku približno 350 do 700 bar, zelo hladen tekoči vodik shranjen pri minus 253 stopinjah Celzija ter novejše možnosti, ki vkljuvajo kovinske hidride ali posebne adsorbirne materiale. Vsaka metoda deluje bolje v drugačnih okoliščinah, odvisno na tem, kaj je potrebno narediti. Če pogledamo številke ob vstopu v leto 2023, je po svetu več kot 160 javnih polnilnih postaj za vodik, večinoma razporejenih na mestih kot so Kalifornija, Japonska, Južna Koreja in nekatera področja Nemčije. Vendar, ko gre za razširitev te infrastrukture za večja vozila, kot so tovornjaki in avtobusi, se stvari hitro zakomplicirajo. Gradnja ene srednje velike postaje običajno stane med dvema in tremi milijoni dolarjev, ne štejejo papirnatih postopkov za pridobitev dovoljenj ter priklop na obstoječe električne omrežja, kar dodatno zakomplicira celotni proces, s čimer nihče resno ne želi ukvarjati.

Varnost se obravnava prek mednarodno usklajenih inženirskih standardov – predvsem ISO/TS 15916, SAE J2601 in Evropski priročnik za varnost vodika. Ti standardi določajo:

• Kompozitne vodikovne rezervoarje, certificirane za prenašanje več kot 10.000 ciklov tlaka ter za odpornost proti strelskim vplivom
• Polnilne šobe z avtomatskim zaznavanjem uhajanja, termičnim izklopom in napravami za odvajanje tlaka
• Prezračevanje zaprtih objektov, zasnovano tako, da koncentracija vodika ostane pod 1% spodnjo mejo vnetljivosti

Preverjeno v praksi izhaja iz iniciativ, kot je evropski program H2 Mobility, ki je standardiziral protokole na 29 postajah – prikazuje interoperabilnost, varnost in uporabniško zaupanje, ključno za široko sprejemljivost.

Gorilne celice na poti do ogljične nevtralnosti

Gorilne celice se izražajo kot ključni igralci pri doseganju ogljično nevtralnih gospodarstev, zlasti tam, kjer tradicionalna elektrifikacija preprosto ni učinkovita. Ti sistemi uporabljajo zeleni vodik, ki je izdelan iz obnovljivih virov preko elektrolize, in ga pretvorijo v elektriko, pri čemer nastaja le vodna para. To pomeni, da ne pride do emisij CO₂, dušikovih oksidov ali škodljivih delcev, ki bi sproščeni v zrak. Kar jih res naredi zanimive, je njihovo delovanje v kombinaciji z obnovljivimi viri energije. Ko se proizvede preveč sončne ali vetrne energije, namesto da bi jo zapravili, lahko shranimo presežno energijo v obliki vodika. Kasneje, ko povpraševanje močno narašča, preprosto pretvorimo shranjeni vodik nazaj v elektriko. Ta pristop pomaga narediti naše električne omrežja bolj odporna, ne da bi se zanašali na tradicionalne fosilne elekarn, ki jih vsi želimo postopoma odpraviti.

Svet resno vlaganja v vodik kot ključnega igralca: po podatkih Mednarodne agencije za energijo je do leta 2030 za infrastrukturo vodika obljubljenih okoli 100 milijard dolarjev. Cena gorivnih celic se je prav tako močno znižala, od leta 2015 za približno 60 %, kar je posledica večjih serij proizvodnje in boljših katalizatornih materialov. Tudi vlade počasi začenjajo ujemanje. Vzemi na primer nedavni ameriški Zakon o zmanjšanju inflacije, ki nudi davčno olajšitev v višini 3 dolarjev na kilogram za čist vodik, ter posodobljeno Direktivo Evropske unije o obnovljivih virih energije. Te spremembe pomenijo, da gorivne celice niso več le eksperimentalne rešitve, temveč se resno vklapljajo v redno infrastrukturo. Naprej naprej ocene kažejo, da bi lahko te sistemi zadovoljili približno 15 % energetskih potreb v sektorjih, kjer je zmanjševanje emisij zelo zahtevno. To jih naredi precej pomembne za dosegovanje ciljev o ničtni emisiji, čeprav je še treba opraviti delo, preden postanejo razširjene.

Pogosta vprašanja

Kaj je gorivna celica?
Gorilna celica je naprava, ki kemično energijo vodika pretvori v električno energijo preko elektrokemične reakcije s kisikom.

Ali gorilne celice proizvajajo emisije?
Gorilne celice glavno proizvajajo vodno paro kot stranski produkt in ne oddajajo reguliranih onesnaževal, kot so CO2, NOx ali delcev.

Ali se lahko gorilne celice uporabijo v prometu?
Da, gorilne celice se vedno pogosteje uporabljajo v težkih prometnih sektorjih, vključno s tovornjaki, avtobusi, vlaki in pomorskim prometom.

Kakšni so varnostni ukrepi pri uporabi vodika?
Varnostni ukrepi vključujejo certificirane rezervoarje za vodik, sisteme za zaznavanje uhajanja in ustrezno prezračevanje, da se ohranijo varne koncentracije vodika.