Принцип роботи паливних елементів: електрохімічне перетворення та функціонування з нульовими викидами

Основний електрохімічний процес: окиснення водню та відновлення кисню

Паливні елементи виробляють електрику за допомогою хімічної реакції між воднем і киснем, і, що важливо, роблять це без спалювання. Коли водень потрапляє на сторону анода, каталізатор, який переважно складається з платини, розбиває його на протони та електрони. Електрони рухаються зовнішніми дротами поза коміркою, створюючи електричний струм, який ми можемо використовувати для живлення. Тим часом протони проходять через так звану мембрану обміну протонами (або скорочено PEM) до іншого боку комірки. Потрапивши на катод, ці протони зустрічаються з молекулами кисню та електронами, які повернулися зовнішнім колом. Разом вони утворюють лише чисту воду як побічний продукт. Увесь цей процес працює дуже ефективно, оскільки не базується на передачі тепла, як у традиційних двигунів. У результаті паливні елементи PEM зазвичай перетворюють приблизно половину — дві третини — вхідної енергії безпосередньо в електрику. Це приблизно вдвічі більше, ніж досягають більшість автомобілів із бензиновими двигунами, оскільки їхня ефективність обмежена основними термодинамічними принципами, відомими як цикл Карно.

Основні переваги включають:

• Майже безшумна робота без рухомих частин, окрім допоміжних систем
• Постійний вихід потужності, доковічне паливо та окиснювач подаються
• Модульна масштабованість — від кіловатних портативних одиниць до багатомегаватних стаціонарних установок

На відміну від акумуляторів, паливні елементи є перетворювачами енергії, а не пристроями для її зберігання — що дозволяє тривалу роботу без простою на підзарядку

Чому паливні елементи виділяють лише воду — без CO₂, NO₂ чи частинок

Паливні елементи не викидають речовини, що підлягають регулюванню, оскільки вони працюють через електрохімічні реакції замість згоряння. Водень просто не містить вуглецю, а це означає, що під час роботи не може утворитися CO2. До того ж, реакції відбуваються при температурах до 100 градусів Цельсія максимум, що далеко від 1300 градусів, коли починають утворюватися оксиди азоту. Також не виникає полум'я, тому позбуваємося сажі, попелу та незгорілих вуглеводнів, що забруднюють повітря. Що ж виходить? По суті, лише чиста водяна пара, іноді збирається та повторно використовується в промислових процесах. Тому ці системи так добре працюють у приміщеннях, у густонаселених міських районах або будь-де, де важливо дотримуватися стандартів якості повітря. Вони відповідають рекомендаціям Агентства захисту довкілля (EPA), відповідають європейським правилам чистого повітря та відповідають також рекомендаціям Всесвітньої організації охорони здоров'я.

Застосування паливних елементів у важкодоступних для зниження викидів галузях

Важкі транспортні засоби: вантажівки, автобуси, потяги та морські судна

Щодо важкого транспортування, паливні елементи справді вирішують кілька ключових проблем, з якими акумулятори не можуть ефективно впоратися. Розгляньте ємність зберігання енергії, час, необхідний для заправки, та вплив на вагу транспортного засобу. В даний час водневі вантажівки набирають обертів. Ці великі вантажівки можуть проїхати від 500 до 800 кілометрів на одній заправці, і заправка займає менше двадцяти хвилин — це порівняно з традиційними дизельними двигунами. Це значно краще, ніж перевезення величезних акумуляторних блоків, які додають додаткову вагу у три-чотири тонни. Цю технологію вже активно впроваджують по всьому світі: понад п’ять тисяч водневих автобусів працюють у таких місцях, як Китай, деякі частини Європи та навіть Каліфорнія. Сфера застосування розширюється за межі автобусів. Наприклад, німецький потяг Coradia iLint або проєкт HYDROGEN у Норвегії щодо водневого парома. Особливо виграють порти, оскільки більшість контейнерних операцій важко залежить на дизельному обладнанні, яке виділяє занадто багато оксидів азоту та частинок у повітря. Перехід до паливних елементів означає нульові викиди безпосередньо в місці їх виникнення, що допомагає портовим установам досягти суворих цілей Міжнародної організації з морського транспорту щодо зменшення викидів вуглецю до 2030 та 2050 років.

Промислові системи живлення та резервування: Заміна дизель-генераторів

Паливні елементи забезпечують чисту та надійну електроживлення для критичної інфраструктури, такої як центри обробки даних, лікарні та фабрики, де традиційно дизель-генератори використовувалися як джерело резервного живлення. Порівняно з дизельними альтернативами, ці системи не виділяють шкідливі оксиди азоту, діоксид сірки чи дрібні частинки всередині будівель або навколо чутливих операцій. Їхня конструкція дозволяє легко масштабувати потужність — від невеликих установок потужністю 50 кіловат включно до величезних систем потужністю до 3 мегават. Тривалість роботи залежить переважно від наявних запасів водню, а не від стурбованості щодо зносу акумуляторів із часом. Працюючи на стисненому водні, більшість установок може підтримувати повне навантаження безперервно понад три доби, що зменшує ризик пожежі порівняно зі зберіганням великої кількості дизельного палива на місці. Міністерство енергетики США повідомило, що кількість компаній, які впроваджують паливні елементи як резервне джерело живлення, зросло близько 40 відсотків минулого року. Цей ріст є логічним, якщо враховувати ї надзвичайну надійність — понад 99,999 відсотків часу безперебійної роботи, а також той факт, що багато корпорацій тепер надають пріоритет екологічним, соціальним та управлінським цілям у своїх бізнес-рішеннях.

Створення екосистеми паливних елементів: інфраструктура, безпека та політика

Зберігання водню, інфраструктура заправки та протоколи експлуатаційної безпеки

Масове впровадження паливних елементів дійсно залежить від наявності безпечних способів доставки водню, які не призводять до надмірних витрат. Існує три основні підходи до зберігання водню: газові балони під тиском близько 350–700 бар, надхолодний рідкий водень при температурі мінус 253 градуси Цельсія та новіші варіанти із застосуванням металогідридів або спеціальних адсорбційних матеріалів. Кожен метод краще працює в різних умовах залежно від конкретного призначення. За станом на 2023 рік у світі налічується понад 160 публічних водневих заправних станцій, головним чином розташованих у таких регіонах, як Каліфорнія, Японія, Південна Корея та окремі частини Німеччини. Однак коли мова йде про розширення цієї інфраструктури для більших транспортних засобів, таких як вантажівки та автобуси, ситуація швидко ускладнюється. Будівництво однієї середньої за розміром станції зазвичай коштує від двох до трьох мільйонів доларів, не враховуючи всієї документації, необхідної для отримання дозволів, а також підключення до існуючих електромереж, що додає ще один рівень ускладнень, якими ніхто не хоче займатися.

Безпека забезпечується шляхом дотримання міжнародно узгоджених інженерних стандартів — зокрема ISO/TS 15916, SAE J2601 та Європейський Посібник безпеки водню. Ці стандарти передбачають:

• Композитні баки для водню, які витримують понад 10 000 циклів підвищення тиску та здатні витримати балістичний вплив
• Заправні пістолети з автоматичним виявленням витоку, термозахистом і пристроями зняття тиску
• Вентиляцію в закритих приміщеннях, яка підтримує концентрацію водню нижче 1% нижньої межі вибухонебезпеки

Практичне підтвердження надається такими ініціативами, як європейська програма H2 Mobility, яка стандаризувала протоколи на 29 заправних станціях — демонструючи сумісність, безпеку та впевненість користувачів, необхідні для широкого застосування.

Паливні елементи на шляху до вуглецевої нейтральності

Паливні елементи вирізняються як ключові учасники на шляху до вуглецево-нейтральних економік, особливо там, де традиційна електрифікація просто не спрацьовує. Ці системи використовують зелений водень, отриманий з відновлюваних джерел енергії через електроліз, і перетворюють його на електрику, утворюючи лише водяну пару. Це означає відсутність викидів CO₂, оксидів азоту та точно відсутність шкідливих частинок, що потрапляють у повітря. Особливий інтерес полягає в тому, як вони працюють разом із відновлюваними джерелами енергії. Коли генерується надлишок сонячної або вітрової енергії, замість того, щоби її викидати, ми можемо зберігати цю зайву енергію у вигляді водню. Пізніше, коли попит різко зростає, ми просто перетворюємо збережений водень назад на електрику. Такий підхід допомагає зробити наші енергомережі стійкішими, не покладаючись на старомодні резервні електростанції на викопному паливі, від яких усі хочуть позбутися.

Світ реальними грошами підтримує водень як одного з ключових учасників: за даними Міжнародного енергетичного агентства, до 2030 року на інфраструктуру водню буде виділено близько 100 мільярдів доларів. Ціни на паливні елементи також значно впали — приблизно на 60% з 2015 року завдяки збільшенню обсягів виробництва та покращенню каталітичних матеріалів. Державна політика також починає наздоганяти цей тренд. Візьмемо, наприклад, недавній Закон США про скорочення інфляції, який передбачає податкову знижку в розмірі 3 долари за кілограм чистого водню, а також оновлений Директивний акт Європейського Союзу щодо відновлюваної енергетики. Ці зміни означають, що паливні елементи більше не є лише експериментальними, а поступово стають частиною звичної інфраструктури. У майбутньому прогнозується, що ці системи зможуть задовольняти близько 15% енергетичних потреб у секторах, де особливо важко скоротити викиди. Це робить їх досить важливими для досягнення мети нульових викидів, хоча до їх масового поширення ще потрібно пройти певний шлях.

ЧаП

Що таке паливний елемент?
Паливний елемент — це пристрій, який перетворює хімічну енергію водню на електричну енергію шляхом електрохімічної реакції з киснем.

Чи виробляють паливні елементи викиди?
Паливні елементи переважно утворюють водяну пару як побічний продукт і не виділяють регульовані забруднювачі, такі як CO2, NOx або частинки.

Чи можна використовувати паливні елементи у транспорті?
Так, паливні елементи все частіше використовуються в галузях важкого транспорту, зокрема в вантажівках, автобусах, потягах та морських суднах.

Які заходи безпеки передбачені для використання водню?
Заходи безпеки включають сертифіковані баки для зберігання водню, системи виявлення витоків та належну вентиляцію для підтримання безпечних концентрацій водню.