Τάσεις και προοπτικές για κυψέλες καυσίμου υδρογόνου για καθαρές μεταφορές

Αυτό το άρθρο θα επικεντρωθεί στις κυψέλες καυσίμου υδρογόνου, τις τάσεις και τις προοπτικές εφαρμογής τους. Οι κυψέλες καυσίμου με βάση το υδρογόνο προσελκύουν αυξανόμενη προσοχή στην αυτοκινητοβιομηχανία σήμερα, γιατί αν ο 20ός αιώνας ήταν ο αιώνας της μηχανής εσωτερικής καύσης, τότε ο 21ος αιώνας μπορεί να γίνει ο αιώνας της ενέργειας υδρογόνου στην αυτοκινητοβιομηχανία. Ήδη σήμερα, χάρη στις κυψέλες υδρογόνου, τα διαστημόπλοια λειτουργούν και σε ορισμένες χώρες του κόσμου, το υδρογόνο χρησιμοποιείται για περισσότερα από 10 χρόνια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Η κυψέλη καυσίμου υδρογόνου είναι μια ηλεκτροχημική συσκευή όπως μια μπαταρία που παράγει ηλεκτρισμό μέσω μιας χημικής αντίδρασης μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου και το προϊόν της χημικής αντίδρασης είναι καθαρό νερό, ενώ η καύση φυσικού αερίου, για παράδειγμα, παράγει επιβλαβές για το περιβάλλον διοξείδιο του άνθρακα.

Επιπλέον, οι κυψέλες υδρογόνου μπορούν να λειτουργούν με υψηλότερη απόδοση, γι' αυτό και είναι ιδιαίτερα υποσχόμενες. Φανταστείτε αποδοτικούς, φιλικούς προς το περιβάλλον κινητήρες αυτοκινήτων.Ωστόσο, ολόκληρη η υποδομή είναι σήμερα κατασκευασμένη και εξειδικευμένη για τα προϊόντα πετρελαίου, και η μεγάλης κλίμακας εισαγωγή κυψελών υδρογόνου στην αυτοκινητοβιομηχανία αντιμετωπίζει αυτό και άλλα εμπόδια.

Εν τω μεταξύ, από το 1839 είναι γνωστό ότι το υδρογόνο και το οξυγόνο μπορούν να συνδυαστούν χημικά και έτσι να λάβουν ηλεκτρικό ρεύμα, δηλαδή η διαδικασία ηλεκτρόλυσης του νερού είναι αναστρέψιμη - αυτό είναι ένα επιβεβαιωμένο επιστημονικό γεγονός. Ήδη από τον 19ο αιώνα, οι κυψέλες καυσίμου άρχισαν να μελετώνται, αλλά η ανάπτυξη της παραγωγής λαδιού και η δημιουργία της μηχανής εσωτερικής καύσης άφησαν πηγές ενέργειας υδρογόνου και έγιναν κάτι εξωτικό, ασύμφορο και ακριβό στην παραγωγή.

Στη δεκαετία του 1950, η NASA αναγκάστηκε να καταφύγει σε κυψέλες καυσίμου υδρογόνου και στη συνέχεια από ανάγκη. Χρειάζονταν μια συμπαγή και αποτελεσματική γεννήτρια ενέργειας για το διαστημόπλοιό τους. Ως αποτέλεσμα, ο Απόλλων και ο Δίδυμος πέταξαν στο διάστημα με κυψέλες καυσίμου υδρογόνου, κάτι που αποδείχθηκε η καλύτερη λύση.

Σήμερα, οι κυψέλες καυσίμου είναι εντελώς εκτός πειραματικής τεχνολογίας και τα τελευταία 20 χρόνια έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην ευρύτερη εμπορευματοποίησή τους.

Δεν είναι μάταια που εναποτίθενται μεγάλες ελπίδες στις κυψέλες καυσίμου υδρογόνου. Στη διαδικασία της εργασίας τους, η περιβαλλοντική ρύπανση είναι ελάχιστη, τα τεχνικά πλεονεκτήματα και η ασφάλεια είναι προφανή, επιπλέον, αυτός ο τύπος καυσίμου είναι θεμελιωδώς αυτόνομος και μπορεί να αντικαταστήσει τις βαριές και ακριβές μπαταρίες λιθίου.

Το καύσιμο μιας κυψέλης υδρογόνου μετατρέπεται σε ενέργεια απευθείας κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης και εδώ λαμβάνεται περισσότερη ενέργεια από ότι με τη συμβατική καύση.Καταναλώνει λιγότερα καύσιμα και η απόδοση είναι τρεις φορές υψηλότερη από αυτή μιας παρόμοιας συσκευής που χρησιμοποιεί ορυκτά καύσιμα.

Όσο υψηλότερη θα είναι η απόδοση, τόσο καλύτερα οργανωμένος είναι ο τρόπος χρήσης του νερού και της θερμότητας που παράγεται κατά την αντίδραση. Οι εκπομπές βλαβερών ουσιών είναι ελάχιστες, αφού απελευθερώνεται μόνο νερό, ενέργεια και θερμότητα, ενώ ακόμη και με την πιο επιτυχημένα οργανωμένη διαδικασία καύσης παραδοσιακών καυσίμων, σχηματίζονται αναπόφευκτα οξείδια του αζώτου, θείο, άνθρακας και άλλα περιττά προϊόντα καύσης.

Επιπλέον, οι ίδιες οι βιομηχανίες συμβατικών καυσίμων έχουν επιζήμια επίδραση στο περιβάλλον και οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου αποφεύγουν μια επικίνδυνη εισβολή στο οικοσύστημα, καθώς η παραγωγή υδρογόνου είναι δυνατή από πλήρως ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Ακόμη και η διαρροή αυτού του αερίου είναι ακίνδυνη, καθώς εξατμίζεται αμέσως.

Η κυψέλη καυσίμου δεν έχει σημασία από ποιο καύσιμο υδρογόνο λαμβάνεται για τη λειτουργία της. Η ενεργειακή πυκνότητα σε kWh/l θα είναι η ίδια και αυτός ο δείκτης αυξάνεται συνεχώς με τη βελτίωση της τεχνολογίας για τη δημιουργία κυψελών καυσίμου.

Το ίδιο το υδρογόνο μπορεί να ληφθεί από οποιαδήποτε βολική τοπική πηγή, είτε πρόκειται για φυσικό αέριο, άνθρακα, βιομάζα ή ηλεκτρόλυση (μέσω αιολικής, ηλιακής ενέργειας κ.λπ.) Η εξάρτηση από τους περιφερειακούς προμηθευτές ηλεκτρικής ενέργειας εξαφανίζεται, τα συστήματα είναι συνήθως ανεξάρτητα από ηλεκτρικά δίκτυα.

Οι θερμοκρασίες λειτουργίας της κυψέλης είναι αρκετά χαμηλές και μπορεί να κυμαίνονται από 80 έως 1000 ° C, ανάλογα με τον τύπο του στοιχείου, ενώ η θερμοκρασία σε έναν συμβατικό σύγχρονο κινητήρα εσωτερικής καύσης φτάνει τους 2300 ° C.Η κυψέλη καυσίμου είναι συμπαγής, εκπέμπει ελάχιστο θόρυβο κατά την παραγωγή, δεν έχει εκπομπές επιβλαβών ουσιών, επομένως μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε βολικό σημείο του συστήματος στο οποίο λειτουργεί.

Κατ' αρχήν, όχι μόνο η ηλεκτρική ενέργεια, αλλά και η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για χρήσιμους σκοπούς, για παράδειγμα για θέρμανση νερού, θέρμανση ή ψύξη χώρων - με αυτήν την προσέγγιση, η απόδοση της παραγωγής ενέργειας σε μια κυψέλη θα πλησιάσει 90%.

Οι κυψέλες είναι ευαίσθητες στις αλλαγές στο φορτίο, επομένως όσο αυξάνεται η κατανάλωση ενέργειας, πρέπει να παρέχεται περισσότερο καύσιμο. Αυτό είναι παρόμοιο με το πώς λειτουργεί ένας βενζινοκινητήρας ή μια γεννήτρια εσωτερικής καύσης. Τεχνικά, η κυψέλη καυσίμου υλοποιείται πολύ απλά, καθώς δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη, ο σχεδιασμός είναι απλός και αξιόπιστος και η πιθανότητα αστοχίας είναι θεμελιωδώς εξαιρετικά μικρή.

Μια κυψέλη καυσίμου υδρογόνου-οξυγόνου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (για παράδειγμα «με ηλεκτρολύτη πολυμερούς») περιέχει μια μεμβράνη αγώγιμα πρωτόνια από ένα πολυμερές (Nafion, πολυβενζιμιδαζόλη κ.λπ.), το οποίο διαχωρίζει δύο ηλεκτρόδια - μια άνοδο και μια κάθοδο. Κάθε ηλεκτρόδιο είναι συνήθως μια πλάκα άνθρακα (μήτρα) με υποστηριζόμενο καταλύτη—πλατίνα ή κράμα πλατινοειδών και άλλων ενώσεων.

Στον καταλύτη ανόδου, το μοριακό υδρογόνο διασπάται και χάνει ηλεκτρόνια. Τα κατιόντα υδρογόνου μεταφέρονται κατά μήκος της μεμβράνης στην κάθοδο, αλλά τα ηλεκτρόνια δίνονται στο εξωτερικό κύκλωμα επειδή η μεμβράνη δεν επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να περάσουν. Στον καταλύτη καθόδου, το μόριο οξυγόνου συνδυάζεται με ένα ηλεκτρόνιο (το οποίο παρέχεται από εξωτερικές επικοινωνίες) και ένα εισερχόμενο πρωτόνιο και σχηματίζει νερό, το οποίο είναι το μόνο προϊόν της αντίδρασης (με τη μορφή ατμού ή/και υγρού).

Ναι, τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα σήμερα λειτουργούν με μπαταρίες λιθίου. Ωστόσο, οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου μπορούν να τις αντικαταστήσουν. Αντί για μπαταρία, η πηγή ενέργειας θα υποστηρίξει πολύ λιγότερο βάρος. Επιπλέον, η ισχύς του αυτοκινήτου μπορεί να αυξηθεί καθόλου λόγω της αύξησης του βάρους λόγω της προσθήκης κυψελών μπαταρίας, αλλά απλώς ρυθμίζοντας την παροχή καυσίμου στο σύστημα ενώ βρίσκεται στον κύλινδρο. Ως εκ τούτου, οι κατασκευαστές αυτοκινήτων έχουν μεγάλες προσδοκίες για κυψέλες καυσίμου υδρογόνου.

Πριν από περισσότερα από 10 χρόνια, ξεκίνησαν οι εργασίες για τη δημιουργία αυτοκινήτων υδρογόνου σε πολλές χώρες σε όλο τον κόσμο, ειδικά στις ΗΠΑ και την Ευρώπη. Το οξυγόνο μπορεί να εξαχθεί απευθείας από τον ατμοσφαιρικό αέρα χρησιμοποιώντας μια ειδική μονάδα συμπιεστή φιλτραρίσματος που βρίσκεται στο όχημα. Το συμπιεσμένο υδρογόνο αποθηκεύεται σε κύλινδρο βαρέως τύπου υπό πίεση περίπου 400 atm. Ο ανεφοδιασμός διαρκεί λίγα λεπτά.

Η έννοια των φιλικών προς το περιβάλλον αστικών μεταφορών εφαρμόζεται στην Ευρώπη από τα μέσα της δεκαετίας του 2000: τέτοια επιβατικά λεωφορεία έχουν βρεθεί εδώ και πολύ καιρό στο Άμστερνταμ, το Αμβούργο, τη Βαρκελώνη και το Λονδίνο Σε μια μητρόπολη, η απουσία επιβλαβών εκπομπών και ο μειωμένος θόρυβος είναι εξαιρετικά σημαντικές. Το Coradia iLint, το πρώτο επιβατικό σιδηροδρομικό τρένο που κινείται με υδρογόνο, ξεκίνησε στη Γερμανία το 2018. Μέχρι το 2021, σχεδιάζεται να δρομολογηθούν άλλα 14 τέτοια τρένα.

Τα επόμενα 40 χρόνια, η στροφή προς το υδρογόνο ως την κύρια πηγή ενέργειας για τα αυτοκίνητα θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην ενέργεια και την οικονομία του κόσμου. Αν και είναι πλέον σαφές ότι το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο θα παραμείνουν η κύρια αγορά καυσίμων για τουλάχιστον άλλα 10 χρόνια.Ωστόσο, ορισμένες χώρες ήδη επενδύουν στη δημιουργία οχημάτων με κυψέλες καυσίμου υδρογόνου, παρά το γεγονός ότι πρέπει να ξεπεραστούν πολλά τεχνικά και οικονομικά εμπόδια.

Η δημιουργία υποδομών υδρογόνου, ασφαλών πρατηρίων καυσίμων είναι το κύριο καθήκον, επειδή το υδρογόνο είναι ένα εκρηκτικό αέριο. Είτε έτσι είτε αλλιώς, με το υδρογόνο, το κόστος καυσίμου και συντήρησης του οχήματος μπορεί να μειωθεί σημαντικά και να αυξηθεί η αξιοπιστία.

Σύμφωνα με τις προβλέψεις του Bloomberg, μέχρι το 2040 τα αυτοκίνητα θα καταναλώνουν 1.900 τεραβατώρες αντί των σημερινών 13 εκατομμυρίων βαρελιών την ημέρα, που θα είναι το 8% της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ το 70% του πετρελαίου που παράγεται σήμερα στον κόσμο πηγαίνει στην παραγωγή καυσίμων μεταφορών. . Φυσικά, σε αυτό το σημείο, οι προοπτικές για την αγορά ηλεκτρικών οχημάτων με μπαταρία είναι πολύ πιο έντονες και εντυπωσιακές από ό,τι στην περίπτωση των κυψελών καυσίμου υδρογόνου.

Το 2017, η αγορά ηλεκτρικών οχημάτων ήταν 17,4 δισεκατομμύρια δολάρια, ενώ η αγορά αυτοκινήτων υδρογόνου αποτιμήθηκε σε μόλις 2 δισεκατομμύρια δολάρια. Παρά τη διαφορά αυτή, οι επενδυτές συνεχίζουν να ενδιαφέρονται για την ενέργεια υδρογόνου και να χρηματοδοτούν νέες εξελίξεις.

Έτσι, το 2017 δημιουργήθηκε το Συμβούλιο Υδρογόνου, το οποίο περιλαμβάνει 39 μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες όπως η Audi, η BMW, η Honda, η Toyota, η Daimler, η GM, η Hyundai. Σκοπός του είναι η έρευνα και ανάπτυξη νέων τεχνολογιών υδρογόνου και η επακόλουθη ευρεία διανομή τους.