Tendencje i perspektywy wodorowych ogniw paliwowych dla czystego transportu

W niniejszym artykule skupimy się na wodorowych ogniwach paliwowych, trendach i perspektywach ich zastosowania. Wodorowe ogniwa paliwowe cieszą się dziś coraz większym zainteresowaniem w motoryzacji, bo jeśli wiek XX był wiekiem silnika spalinowego, to wiek XXI może stać się wiekiem energii wodorowej w motoryzacji. Już dziś dzięki ogniwom wodorowym działają statki kosmiczne, aw niektórych krajach świata wodór jest wykorzystywany do wytwarzania energii elektrycznej już od ponad 10 lat.

Wodorowe ogniwo paliwowe to urządzenie elektrochemiczne, takie jak bateria, które wytwarza energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznej między wodorem a tlenem, a produktem reakcji chemicznej jest czysta woda, podczas gdy na przykład spalanie gazu ziemnego wytwarza szkodliwy dla środowiska dwutlenek węgla.

Ponadto ogniwa wodorowe mogą pracować z wyższą wydajnością, dlatego są szczególnie obiecujące. Wyobraź sobie wydajne, przyjazne dla środowiska silniki samochodowe.Ale cała infrastruktura jest obecnie budowana i wyspecjalizowana dla produktów ropopochodnych, a wprowadzenie na dużą skalę ogniw wodorowych w przemyśle motoryzacyjnym napotyka na tę i inne przeszkody.

Tymczasem od 1839 roku wiadomo, że wodór i tlen mogą łączyć się chemicznie i w ten sposób otrzymywać prąd elektryczny, czyli proces elektrolizy wody jest odwracalny — to potwierdzony fakt naukowy. Już w XIX wieku zaczęto badać ogniwa paliwowe, jednak rozwój wydobycia ropy naftowej i powstanie silnika spalinowego pozostawiły wodorowe źródła energii i stały się czymś egzotycznym, nieopłacalnym i drogim w produkcji.

W latach pięćdziesiątych NASA została zmuszona do zastosowania wodorowych ogniw paliwowych, a potem z konieczności. Potrzebowali kompaktowego i wydajnego generatora prądu do swojego statku kosmicznego. W rezultacie Apollo i Gemini polecieli w kosmos na wodorowych ogniwach paliwowych, co okazało się najlepszym rozwiązaniem.

Dziś ogniwa paliwowe są już zupełnie poza technologią eksperymentalną, aw ciągu ostatnich 20 lat dokonał się znaczny postęp w ich szerszej komercjalizacji.

Nie na próżno pokłada się duże nadzieje w wodorowych ogniwach paliwowych. W trakcie ich pracy zanieczyszczenie środowiska jest minimalne, zalety techniczne i bezpieczeństwo są oczywiste, ponadto ten rodzaj paliwa jest zasadniczo autonomiczny i jest w stanie zastąpić ciężkie i drogie akumulatory litowe.

Paliwo ogniwa wodorowego zamieniane jest na energię bezpośrednio w trakcie reakcji chemicznej i uzyskuje się tutaj więcej energii niż przy konwencjonalnym spalaniu.Zużywa mniej paliwa, a wydajność jest trzykrotnie wyższa niż podobnego urządzenia wykorzystującego paliwa kopalne.

Sprawność będzie tym wyższa, im lepiej zorganizowany będzie sposób wykorzystania wody i ciepła powstającego podczas reakcji. Emisja szkodliwych substancji jest minimalna, ponieważ uwalniana jest tylko woda, energia i ciepło, a nawet przy najlepiej zorganizowanym procesie spalania tradycyjnego paliwa nieuchronnie powstają tlenki azotu, siarka, węgiel i inne niepotrzebne produkty spalania.

Ponadto sam przemysł paliw konwencjonalnych ma szkodliwy wpływ na środowisko, a wodorowe ogniwa paliwowe unikają niebezpiecznej inwazji na ekosystem, ponieważ produkcja wodoru jest możliwa z całkowicie odnawialnych źródeł energii. Nawet wyciek tego gazu jest nieszkodliwy, ponieważ natychmiast odparowuje.

Ogniwo paliwowe nie ma znaczenia, z jakiego paliwa pozyskiwany jest wodór do jego działania. Gęstość energii w kWh/l będzie taka sama, a wskaźnik ten stale rośnie wraz z doskonaleniem technologii tworzenia ogniw paliwowych.

Sam wodór można uzyskać z dowolnego dogodnego lokalnego źródła, czy to gazu ziemnego, węgla, biomasy czy elektrolizy (poprzez wiatr, energię słoneczną itp.). Znika zależność od regionalnych dostawców energii elektrycznej, systemy są zwykle niezależne od sieci elektrycznych.

Temperatury pracy ogniwa są dość niskie i mogą wahać się od 80 do 1000°C w zależności od rodzaju elementu, podczas gdy temperatura w konwencjonalnym nowoczesnym silniku spalinowym osiąga 2300°C.Ogniwo paliwowe jest kompaktowe, emituje minimum hałasu podczas generacji, nie emituje szkodliwych substancji, dzięki czemu można je umieścić w dowolnym dogodnym miejscu w systemie, w którym pracuje.

W zasadzie nie tylko prąd, ale i ciepło, które wydziela się podczas reakcji chemicznej, można wykorzystać do pożytecznych celów, np. do ogrzewania wody, ogrzewania czy chłodzenia pomieszczeń – przy takim podejściu wydajność wytwarzania energii w ogniwie będzie zbliżona 90%.

Ogniwa są wrażliwe na zmiany obciążenia, więc wraz ze wzrostem poboru mocy trzeba dostarczać więcej paliwa. Jest to podobne do działania silnika benzynowego lub generatora spalinowego. Technicznie rzecz biorąc, ogniwo paliwowe jest realizowane w prosty sposób, ponieważ nie ma ruchomych części, konstrukcja jest prosta i niezawodna, a prawdopodobieństwo awarii jest zasadniczo bardzo małe.

Wodorowo-tlenowe ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (np. „z elektrolitem polimerowym”) zawiera membranę przewodzącą protony z polimeru (Nafion, polibenzimidazol itp.), która oddziela dwie elektrody – anodę i katodę. Każda elektroda to zazwyczaj płyta węglowa (matryca) z katalizatorem na nośniku – platyną lub stopem platynoidów i innych związków.

Na katalizatorze anodowym wodór cząsteczkowy dysocjuje i traci elektrony. Kationy wodoru są transportowane przez membranę do katody, ale elektrony są przekazywane do obwodu zewnętrznego, ponieważ membrana nie przepuszcza elektronów. Na katalizatorze katodowym cząsteczka tlenu łączy się z elektronem (który jest dostarczany przez komunikację zewnętrzną) i nadchodzącym protonem i tworzy wodę, która jest jedynym produktem reakcji (w postaci pary i/lub cieczy).

Tak, samochody elektryczne są dziś zasilane bateriami litowymi. Jednak wodorowe ogniwa paliwowe mogą je zastąpić. Zamiast baterii źródło zasilania utrzyma znacznie mniejszą wagę. Ponadto moc samochodu można zwiększyć wcale nie ze względu na wzrost masy w wyniku dodania ogniw akumulatora, ale po prostu poprzez dostosowanie dopływu paliwa do układu, gdy znajduje się on w cylindrze. Dlatego producenci samochodów mają duże oczekiwania wobec wodorowych ogniw paliwowych.

Ponad 10 lat temu w wielu krajach świata, zwłaszcza w USA i Europie, rozpoczęły się prace nad stworzeniem samochodów napędzanych wodorem. Tlen można pobierać bezpośrednio z powietrza atmosferycznego za pomocą specjalnej sprężarki filtrującej umieszczonej na pokładzie pojazdu. Sprężony wodór jest przechowywany w wytrzymałej butli pod ciśnieniem około 400 atm. Tankowanie trwa kilka minut.

Koncepcja przyjaznego dla środowiska transportu miejskiego jest stosowana w Europie od połowy lat 2000: takie autobusy pasażerskie od dawna można znaleźć w Amsterdamie, Hamburgu, Barcelonie czy Londynie.W metropolii niezwykle ważny jest brak szkodliwych emisji i ograniczenie hałasu. Coradia iLint, pierwszy kolejowy pociąg pasażerski napędzany wodorem, ruszył w Niemczech w 2018 roku. Do 2021 roku planowane jest uruchomienie 14 kolejnych takich pociągów.

W ciągu następnych 40 lat przejście na wodór jako podstawowe źródło energii dla samochodów może zrewolucjonizować światową energetykę i gospodarkę. Chociaż już teraz wiadomo, że ropa i gaz pozostaną głównym rynkiem paliwowym jeszcze przez co najmniej 10 lat.Mimo to niektóre kraje już inwestują w tworzenie pojazdów z wodorowymi ogniwami paliwowymi, mimo że do pokonania jest wiele barier technicznych i ekonomicznych.

Tworzenie infrastruktury wodorowej, bezpiecznych stacji benzynowych to główne zadanie, bo wodór jest gazem wybuchowym. Tak czy inaczej, dzięki wodorowi koszty paliwa i konserwacji pojazdów mogą zostać znacznie obniżone, a niezawodność zwiększona.

Według prognoz Bloomberga do 2040 roku samochody będą zużywać 1900 terawatogodzin zamiast obecnych 13 milionów baryłek dziennie, co będzie stanowić 8% zapotrzebowania na energię elektryczną, podczas gdy 70% ropy produkowanej dziś na świecie trafia do produkcji paliw transportowych . Oczywiście w tym momencie perspektywy dla rynku pojazdów elektrycznych na baterie są znacznie bardziej wyraźne i imponujące niż w przypadku wodorowych ogniw paliwowych.

W 2017 roku rynek pojazdów elektrycznych był wart 17,4 miliarda dolarów, podczas gdy rynek samochodów napędzanych wodorem wyceniono na zaledwie 2 miliardy dolarów. Mimo tej różnicy inwestorzy nadal interesują się energią wodorową i finansują nowe projekty.

W ten sposób w 2017 roku powstała Rada Wodorowa, w skład której wchodzi 39 największych producentów samochodów, takich jak Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Jego celem jest badanie i rozwój nowych technologii wodorowych oraz ich późniejsza szeroka dystrybucja.