Трендови и изгледи за водоничне горивне ћелије за чист транспорт

Овај чланак ће се фокусирати на водоничне горивне ћелије, трендове и изгледе за њихову примену. Горивне ћелије на бази водоника данас привлаче све већу пажњу у аутомобилској индустрији, јер ако је 20. век био век мотора са унутрашњим сагоревањем, онда би 21. век могао постати век енергије водоника у аутомобилској индустрији. Већ данас, захваљујући водоничним ћелијама, раде свемирски бродови, а у неким земљама света водоник се користи више од 10 година за производњу електричне енергије.

Водоничка горивна ћелија је електрохемијски уређај попут батерије која генерише електричну енергију хемијском реакцијом између водоника и кисеоника, а производ хемијске реакције је чиста вода, док се сагоревањем природног гаса, на пример, производи угљен-диоксид штетан по животну средину.

Поред тога, водоничне ћелије могу да раде са већом ефикасношћу, због чега су посебно обећавајуће. Замислите ефикасне, еколошки прихватљиве моторе аутомобила.Али цела инфраструктура је тренутно изграђена и специјализована за нафтне деривате, а велико увођење водоничних ћелија у аутомобилску индустрију суочава се са овом и другим препрекама.

У међувремену, од 1839. године познато је да се водоник и кисеоник могу хемијски комбиновати и тако добити електричну струју, односно да је процес електролизе воде реверзибилан — то је потврђена научна чињеница. Већ у 19. веку почеле су да се проучавају горивне ћелије, али развој производње нафте и стварање мотора са унутрашњим сагоревањем напустили су водонични извори енергије и постали су нешто егзотично, неисплативо и скупо за производњу.

Педесетих година прошлог века НАСА је била принуђена да прибегне водоничним горивним ћелијама, и то из нужде. Требао им је компактан и ефикасан генератор енергије за њихову летелицу. Као резултат тога, Аполо и Гемини су летели у свемир на водоничним горивним ћелијама, што се показало као најбоље решење.

Данас су горивне ћелије потпуно ван експерименталне технологије, а у последњих 20 година направљен је значајан напредак у њиховој широј комерцијализацији.

Нису узалуд велике наде полагане на водоничне горивне ћелије. У процесу њиховог рада, загађење животне средине је минимално, техничке предности и сигурност су очигледне, поред тога, ова врста горива је у основи аутономна и у стању је да замени тешке и скупе литијумске батерије.

Гориво водоничне ћелије се претвара у енергију директно у току хемијске реакције и овде се добија више енергије него код конвенционалног сагоревања.Он троши мање горива, а ефикасност је три пута већа од оне сличног уређаја који користи фосилна горива.

Ефикасност ће бити већа што је боље организован начин коришћења воде и топлоте настале током реакције. Емисије штетних материја су минималне, јер се ослобађају само вода, енергија и топлота, док се и код најуспешније организованог процеса сагоревања традиционалног горива неминовно стварају азотни оксиди, сумпор, угљеник и други непотребни продукти сагоревања.

Осим тога, саме конвенционалне индустрије горива имају штетан утицај на животну средину, а водоничне горивне ћелије избегавају опасну инвазију на екосистем, будући да је производња водоника могућа из потпуно обновљивих извора енергије. Чак је и цурење овог гаса безопасно, јер одмах испарава.

Горивна ћелија није битна из којег горива се добија водоник за њен рад. Густина енергије у кВх / л ће бити иста, а овај индикатор се стално повећава са побољшањем технологије стварања горивних ћелија.

Сам водоник се може добити из било ког погодног локалног извора, било да се ради о природном гасу, угљу, биомаси или електролизи (путем ветра, сунчеве енергије итд.) Зависност од регионалних снабдевача електричном енергијом нестаје, системи су обично независни од електричних мрежа.

Радне температуре ћелије су прилично ниске и могу да варирају од 80 до 1000°Ц, у зависности од врсте елемента, док температура у конвенционалном модерном мотору са унутрашњим сагоревањем достиже 2300°Ц.Горивна ћелија је компактна, емитује минимум буке током генерисања, нема емисије штетних материја, тако да се може поставити на било које погодно место у систему у коме ради.

У принципу, не само електрична енергија, већ и топлота која се ослобађа током хемијске реакције може се користити у корисне сврхе, на пример за загревање воде, грејање или хлађење простора – овим приступом ће се ефикасност генерисања енергије у ћелији приближити 90%.

Ћелије су осетљиве на промене у оптерећењу, па како се потрошња енергије повећава, мора се испоручити више горива. Ово је слично томе како функционише бензински мотор или генератор са унутрашњим сагоревањем. Технички, горивна ћелија је имплементирана прилично једноставно, пошто нема покретних делова, дизајн је једноставан и поуздан, а вероватноћа квара је у основи изузетно мала.

Водоник-кисеоничка горивна ћелија са мембраном за измену протона (на пример «са полимерним електролитом») садржи мембрану која проводе протоне из полимера (Нафион, полибензимидазол, итд.), која раздваја две електроде - аноду и катоду. Свака електрода је обично угљенична плоча (матрица) са подржаним катализатором — платином или легуром платиноида и других једињења.

На анодном катализатору, молекуларни водоник се дисоцира и губи електроне. Катиони водоника се транспортују преко мембране до катоде, али се електрони донирају спољашњем колу јер мембрана не дозвољава електронима да прођу. На катодном катализатору, молекул кисеоника се комбинује са електроном (који се снабдева спољним комуникацијама) и долазним протоном и формира воду, која је једини производ реакције (у облику паре и/или течности).

Да, електрични аутомобили данас раде на литијумским батеријама. Међутим, водоничне горивне ћелије могу их заменити. Уместо батерије, извор напајања ће издржати много мању тежину. Поред тога, снага аутомобила се уопште може повећати не због повећања тежине због додавања ћелија батерије, већ једноставно подешавањем довода горива у систем док је у цилиндру. Због тога произвођачи аутомобила имају велика очекивања од водоничних горивних ћелија.

Пре више од 10 година почели су радови на стварању аутомобила на водоник у многим земљама света, посебно у САД и Европи. Кисеоник се може извући директно из атмосферског ваздуха помоћу посебне компресорске јединице за филтрирање која се налази у возилу. Компримовани водоник се складишти у цилиндру за тешке услове рада под притиском од око 400 атм. Пуњење горива траје неколико минута.

Концепт еколошки прихватљивог градског превоза примењује се у Европи од средине 2000-их: такви путнички аутобуси одавно су пронађени у Амстердаму, Хамбургу, Барселони и Лондону.У метрополи су изузетно важни одсуство штетних емисија и смањена бука. Цорадиа иЛинт, први железнички путнички воз на водоник, пуштен је у рад у Немачкој 2018. До 2021. планирано је да се пусти још 14 таквих возова.

Током наредних 40 година, прелазак на водоник као примарни извор енергије за аутомобиле могао би револуционисати светску енергију и економију. Иако је сада јасно да ће нафта и гас остати главно тржиште горива још најмање 10 година.Ипак, неке земље већ улажу у стварање возила са водоничним горивним ћелијама, упркос чињеници да је потребно превазићи многе техничке и економске баријере.

Стварање водоничне инфраструктуре, сигурних бензинских станица је главни задатак, јер је водоник експлозиван гас. У сваком случају, са водоником, гориво за возила и трошкови одржавања могу се значајно смањити, а поузданост се може повећати.

Према прогнозама Блоомберга, до 2040. године аутомобили ће трошити 1.900 терават сати уместо садашњих 13 милиона барела дневно, што ће чинити 8% потражње за електричном енергијом, док 70% нафте која се данас производи у свету одлази на производњу горива за транспорт. . Наравно, у овом тренутку, изгледи за тржиште акумулаторских електричних возила су много израженији и импресивнији него у случају водоничних горивних ћелија.

У 2017. години тржиште електричних возила износило је 17,4 милијарде долара, док је тржиште аутомобила на водоник било процењено на само 2 милијарде долара. Упркос овој разлици, инвеститори су и даље заинтересовани за водоничну енергију и финансирају нове пројекте.

Тако је 2017. године створен Савет за водоник, који укључује 39 великих произвођача аутомобила као што су Ауди, БМВ, Хонда, Тојота, Дајмлер, ГМ, Хјундаи. Његова сврха је истраживање и развој нових технологија водоника и њихова каснија распрострањеност.