Како функционишу горивне ћелије: електрохемијска конверзија и рад са нултим емисијама

Основни електрохемијски процес: оксидација водоника и редукција кисеоника

Гаджилне ћелије стварају електричну енергију користећи хемијску реакцију између водоника и кисеоника, а што је важно, то раде без спаљивања било чега. Када водоник стигне до анодне стране, он се раздваја на протоне и електроне захваљујући катализатору направљеном углавном од платине. Електрони се крећу дуж жица изван ћелије, стварајући електричну струју коју можемо користити за енергију. У међувремену, ти протони пролазе кроз нешто што се зове протонска мембрана (или ПЕМ) на другу страну ћелије. Када се нађом на катоду, ови протони се састају са молекулама кисеоника и електронима који су се вратили из кола. Заједно они не стварају ништа друго до чисте воде као нуспроизвод. Цео овај процес ради тако ефикасно јер се не ослања на пренос топлоте као што то раде традиционални мотори. Као резултат тога, ПЕМ горивне ћелије обично директно претварају половину до две трећине своје улазне енергије у електричну енергију. То је приближно два пута више него што већина возила са бензином, јер је њихова ефикасност ограничена основним термодинамичким принципима познатим као Карно цикл.

Glavne prednosti uključuju:

• Скоро тиха операција без кретајућих делова изван помоћних система
• Непрекидна излазна снага док се гориво и оксиданс снабдевају
• Модуларна скалибилностод преносливих јединица од киловата до стационарних постројења од више мегавата

За разлику од батерија, горивне ћелије су конвертери енергије, а не уређаји за складиштење који омогућавају трајно функционисање без пуњења времена застајања.

Зашто горивне ћелије емитују само воду нема СО2, НО2 или честица

Гаджијске ћелије не емитују ништа што је регулисано, јер раде кроз електрохемијске реакције уместо да спаљају ствари. Водород једноставно нема угљеника у себи, што значи да нема начина да се СО2 формира током рада. Плус, реакције се дешавају на око 100 степени Целзијуса максимум, далеко не близу 1300 степени где се азотни оксиди почињу формирати. Није било пламена, па се сабогавамо од сажега, пепела и тих досадних непогорелих угљеника који загађују ваздух. Шта се излази? У суштини, то је чиста водена пареа, понекад прикупљена и поново кориштена у индустријским процесима. Зато ови системи тако добро раде у затвореном простору, у густо насељеним градским подручјима или било где где је осетљиво на стандарде квалитета ваздуха. Они се упишу у оно што препоручује Агенција за заштиту животних средина, одговарају европским правилима о чистоти ваздуха и такође испуњавају смернице Светске здравствене организације.

Употреба горивних ћелија у секторима које је тешко смањити

Тежак транспорт: камиони, аутобуси, возови и поморски бродови

Када је реч о транспорту за тешке потребе, горивне ћелије заиста решавају неке главне тачке које батерије не могу довољно добро да се носи. Размислите о капацитету складиштења енергије, колико времена треба да се попуне и како утичу на тежину возила. Водородне камионе такође стварају таласе. Ове велике буџете могу да прођу било где од 500 до 800 километара са једним резервоаром, и пуњење траје мање од двадесет минута, слично ономе што видимо са традиционалним дизел моторима. То је боље од ношења тих масивних батеријских пакова који би додали неку од три до четири тоне додатне тежине. Већ видимо да се ова технологија развија широм света са преко пет хиљада водородних аутобуса који се крећу широм места као што су Кина, делови Европе, па чак и Калифорнија. Апликације се развијају и изван аутобуса. Узмите као пример немачки воз Coradia iLint, или погледајте напоре Норвешке са њиховим пројектом HYDROGEN ферибота за други. Пристанице ће посебно имати користи јер се већина операција са контејнерима у великој мери ослања на дизел опрему која избацује превише азотног оксида и честица у ваздух. Прелазак на горивне ћелије значи нула емисија тачно тамо где се то дешава, што поможе лучким властима да испуне те тврде циљеве Међународне поморске организације за смањење емисије угљен-диоксида до 2030. и 2050. године.

Индустријски енергетски и резервни системи: Замена дизел генератора

Гаджијске ћелије пружају чисту и поуздану енергију за критичну инфраструктуру као што су центри за податке, болнице и фабрике где су дизел генератори традиционално служили као резервни извори енергије. У поређењу са дизелским уређајима, ови системи не ослобађају штетне азотне оксиде, сумрни диоксид или мале честице унутар зграда или око нежених операција. Начин на који су изграђени омогућава им да се лако скалирају од малих инсталација од 50 киловата до масовних инсталација до 3 мегавата. Колико дуго раде зависи углавном од доступне залихе водоника, а не од бриге да ли ће се батерије временом избрисати. Када се компресирани резервоари за водоник покрећу, већина јединица може да се носи са пуним оптерећењем током више од три дана, што смањује опасност од пожара у поређењу са складиштењем великих количина дизел горива на месту. Америчко Министарство енергетике известило је да су компаније које користе резервне горивне ћелије прошле године порасле за око 40 посто. Овај раст има смисла када погледамо њихове невероватне стопе поузданости изнад 99,999 одсто оперативног времена плус чињеницу да многе корпорације сада приоритетно стављају еколошке, друштвене и управљачке циљеве у своје пословне одлуке.

Омогућавање екосистема горивних ћелија: инфраструктура, безбедност и политика

Стручњаци који се баве заштитом од штетних материјала

Употреба горивних ћелија у великој мери зависи од сигурних начина испоруке водоника који не крше банку. У основи постоје три главна приступа складиштењу водоника: резервоари са притиском гаса на притиску од око 350 до 700 бара, супер хладна течност која се чува на минус 253 степени Целзијуса и новије опције које укључују металне хидриде или специјалне адсорбентне материјале. Свака метода ради боље за различите ситуације у зависности од тога шта треба учинити. Гледајући бројеве када уђемо 2023. године, широм света има преко 160 јавних бензинских станица за водоник, углавном на местима као што су Калифорнија, Јапан, Јужна Кореја и делови Немачке. Али када је реч о проширењу ове инфраструктуре за већа возила као што су камиони и аутобуси, ствари брзо постају заплетне. Изградња једне пристојне станице обично кошта између два и три милиона долара, без рачунања свих докумената потребних за дозволе плус повезивање са постојећим електричним мрежама што додаје још један слој компликација са којима се нико не жели бавити.

Безбедност се бави међународно хармонизованим инжењерским стандардимапосебно ИСО/ТС 15916, САЕ Ј2601 и Европским приручником за безбедност водоника. Ови мандати:

• Композитни резервоари за водоник сертификовани да издрже више од 10.000 циклуса притиска и балистичког удара
• Улазнице за пуњење горива са аутоматским детектором цурења, топлотним искључивањем и уређајима за смањење притиска
• Вентилација затвореног објекта дизајнирана да одржи концентрацију водоника испод 1% ниже границе запаљивости

Реална валидација долази од иницијатива као што је Европски програм за H2 мобилност, који је стандардизовао протоколе на 29 станицадемонструјући оперативно коришћеност, безбедност и поверење корисника које су од суштинског значаја за широко прихватање.

Гвожђеве ћелије на путу ка угљенској неутралности

Гаджилне ћелије се истичу као кључни играчи у потрази за јаглено-неутралним економијама, посебно када традиционална електрификација једноставно не може. Ови системи узимају зелени водоник који се производи из обновљивих извора путем електролиза и претварају га у електричну енергију, стварајући само водену пару. То значи да нема емисије СО2, ни азотних оксида, и дефинитивно нема штетних честица које се ослобађају у ваздух. Оно што их чини заиста занимљивим је начин на који раде заједно са обновљивим изворима енергије. Када се генерише превише соларне или ветровне енергије, уместо да је бацамо, можемо да складиштемо вишак енергије као водоник. Касније, када побажање порасте, просто конвертујемо складиштени водоник у електричну енергију. Овај приступ помаже да се наше електричне мреже поставе отпорније без ослањања на оне старомодне резервне фабрике за фосилна горива које сви желе да се постепено укину.

Свет улаже прави новац у водоник као кључну улогу: према Међународној агенцији за енергију, око 100 милијарди долара је обећано за инфраструктуру водоника до 2030. године. Цена горивних ћелија је такође драматично опала, за око 60% од 2015. године захваљујући већим производњима и бољим катализаторским материјалима. Владина политика такође почиње да доспева. Узмите недавни закон о смањењу инфлације у САД који нуди 3 долара по килограму пореског попуста за чист водоник, плус ажурирана Директива Европске уније о обновљивој енергији. Ове промене значи да горивне ћелије више нису само експерименталне већ постају део редовне инфраструктуре. Гледајући у будућност, процене указују на то да би ови системи могли да задовоље отприлике 15% енергетских потреба у секторима у којима је смањење емисија заиста тешко. То их чини веома важним ако желимо да постигнемо оне циљеве чисте нуле, иако још увек постоји посао који треба да се уради пре него што постану широко распрострањени.

Често постављене питања

Шта је горивна ћелија?
Гаджијска ћелија је уређај који претвара хемијску енергију из водоника у електричну енергију кроз електрохемијску реакцију са кисеонином.

Да ли горивне ћелије производе емисије?
Гвожђеве ћелије углавном производе водену пару као нуспроизвод и не емитују регулисане загађиваче као што су ЦО2, НОкс или честице.

Да ли се горивне ћелије могу користити у транспорту?
Да, горивне ћелије се све више користе у тешком сектору транспорта, укључујући камионе, аутобусе, возове и поморске бродове.

Које су мере за безбедност при употреби водоника?
Мерке за безбедност укључују сертификоване резервоаре за водоник, системе за детекцију пропуста и одговарајућу вентилацију како би се концентрација водоника била безбедна.