Tendințe și perspective pentru pile de combustibil cu hidrogen pentru transport curat

Acest articol se va concentra pe pile de combustibil cu hidrogen, tendințe și perspective pentru aplicarea acestora. Pilele de combustibil pe bază de hidrogen atrag din ce în ce mai multă atenție în industria auto, deoarece dacă secolul 20 a fost secolul motorului cu ardere internă, atunci secolul 21 poate deveni secolul energiei hidrogenului în industria auto. . Deja astăzi, datorită celulelor cu hidrogen, navele spațiale funcționează, iar în unele țări ale lumii, hidrogenul a fost folosit de mai bine de 10 ani pentru a genera electricitate.

O pilă de combustie cu hidrogen este un dispozitiv electrochimic ca o baterie care generează electricitate printr-o reacție chimică între hidrogen și oxigen, iar produsul reacției chimice este apa pură, în timp ce arderea gazului natural, de exemplu, produce dioxid de carbon dăunător mediului.

În plus, celulele cu hidrogen pot funcționa cu o eficiență mai mare, motiv pentru care sunt deosebit de promițătoare. Imaginați-vă motoare de mașini eficiente, ecologice.Dar întreaga infrastructură este în prezent construită și specializată pentru produse petroliere, iar introducerea pe scară largă a celulelor cu hidrogen în industria auto se confruntă cu acest și alte obstacole.

Între timp, din 1839 se știe că hidrogenul și oxigenul se pot combina chimic și astfel obține un curent electric, adică procesul de electroliză a apei este reversibil - acesta este un fapt științific confirmat. Deja în secolul al XIX-lea, celulele de combustie au început să fie studiate, dar dezvoltarea producției de petrol și crearea motorului cu ardere internă au lăsat surse de energie cu hidrogen și au devenit ceva exotic, neprofitabil și costisitor de produs.

În anii 1950, NASA a fost nevoită să recurgă la pile de combustie cu hidrogen, iar apoi din necesitate. Aveau nevoie de un generator de energie compact și eficient pentru navele lor spațiale. Drept urmare, Apollo și Gemeni au zburat în spațiu pe pile de combustibil cu hidrogen, ceea ce s-a dovedit a fi cea mai bună soluție.

Astăzi, pilele de combustie sunt complet în afara tehnologiei experimentale, iar în ultimii 20 de ani s-au făcut progrese semnificative în comercializarea lor mai largă.

Nu degeaba se pun mari speranțe pe pilele de combustibil cu hidrogen. În procesul muncii lor, poluarea mediului este minimă, avantajele tehnice și siguranța sunt evidente, în plus, acest tip de combustibil este fundamental autonom și este capabil să înlocuiască bateriile cu litiu grele și scumpe.

Combustibilul unei celule de hidrogen este transformat în energie direct în cursul unei reacții chimice și aici se obține mai multă energie decât în ​​cazul arderii convenționale.Consumă mai puțin combustibil și eficiența este de trei ori mai mare decât cea a unui dispozitiv similar care utilizează combustibili fosili.

Eficiența va fi cu cât mai mare, cu atât mai bine organizat modul de utilizare a apei și căldurii generate în timpul reacției. Emisiile de substanțe nocive sunt minime, deoarece sunt eliberate doar apă, energie și căldură, în timp ce chiar și cu cel mai bine organizat proces de ardere a combustibilului tradițional, se formează inevitabil oxizi de azot, sulf, carbon și alte produse inutile de ardere.

În plus, industriile convenționale de combustibil au un efect dăunător asupra mediului, iar pilele de combustibil cu hidrogen evită o invazie periculoasă a ecosistemului, deoarece producerea de hidrogen este posibilă din surse de energie complet regenerabile. Chiar și scurgerea acestui gaz este inofensivă, deoarece se evaporă instantaneu.

Pila de combustie nu contează din ce combustibil se obține hidrogenul pentru funcționarea sa. Densitatea de energie în kWh / l va fi aceeași, iar acest indicator crește constant odată cu îmbunătățirea tehnologiei de creare a pilelor de combustibil.

Hidrogenul în sine poate fi obținut din orice sursă locală convenabilă, fie că este vorba de gaze naturale, cărbune, biomasă sau electroliză (prin energie eoliană, solară etc.) Dependența de furnizorii regionali de energie electrică dispare, sistemele sunt de obicei independente de rețelele electrice.

Temperaturile de funcționare ale celulei sunt destul de scăzute și pot varia de la 80 la 1000 ° C, în funcție de tipul de element, în timp ce temperatura într-un motor convențional cu ardere internă modernă ajunge la 2300 ° C.Pila de combustie este compacta, emite un minim de zgomot in timpul generarii, nu are emisii de substante nocive, astfel incat poate fi amplasata in orice loc convenabil din sistemul in care functioneaza.

În principiu, nu numai electricitatea, ci și căldura care este eliberată în timpul unei reacții chimice poate fi folosită în scopuri utile, de exemplu pentru încălzirea apei, încălzirea spațiilor sau răcirea - cu această abordare se va aborda eficiența generării de energie într-o celulă. 90%.

Celulele sunt sensibile la schimbările de sarcină, astfel încât, pe măsură ce consumul de energie crește, trebuie furnizat mai mult combustibil. Acest lucru este similar cu modul în care funcționează un motor pe benzină sau un generator cu ardere internă. Din punct de vedere tehnic, pila de combustie este implementată destul de simplu, deoarece nu există piese în mișcare, designul este simplu și de încredere, iar probabilitatea de defecțiune este fundamental extrem de mică.

O celulă de combustibil hidrogen-oxigen cu membrană schimbătoare de protoni (de exemplu, „cu un electrolit polimeric”) conține o membrană care conduce protoni dintr-un polimer (Nafion, polibenzimidazol etc.), care separă doi electrozi - un anod și un catod. Fiecare electrod este de obicei o placă de carbon (matrice) cu un catalizator suportat - platină sau un aliaj de platinoizi și alți compuși.

Pe catalizatorul anod, hidrogenul molecular se disociază și pierde electroni. Cationii de hidrogen sunt transportați prin membrană către catod, dar electronii sunt donați circuitului extern deoarece membrana nu permite trecerea electronilor. Pe catalizatorul catod, molecula de oxigen se combină cu un electron (care este furnizat prin comunicații externe) și un proton care intră și formează apă, care este singurul produs al reacției (sub formă de abur și/sau lichid).

Da, mașinile electrice de astăzi funcționează cu baterii cu litiu. Cu toate acestea, celulele de combustibil cu hidrogen le pot înlocui. În loc de baterie, sursa de alimentare va suporta mult mai puțină greutate. În plus, puterea mașinii poate fi crescută deloc din cauza creșterii în greutate datorită adăugării celulelor bateriei, ci pur și simplu prin reglarea alimentării cu combustibil a sistemului în timp ce acesta se află în cilindru. Prin urmare, producătorii de automobile au așteptări mari pentru pilele de combustibil cu hidrogen.

În urmă cu mai bine de 10 ani, lucrările la crearea de mașini cu hidrogen au început în multe țări din întreaga lume, în special în SUA și Europa. Oxigenul poate fi extras direct din aerul atmosferic folosind o unitate compresor de filtrare specială situată la bordul vehiculului. Hidrogenul comprimat este stocat într-un cilindru rezistent la o presiune de aproximativ 400 atm. Alimentarea durează câteva minute.

Conceptul de transport urban prietenos cu mediul este aplicat în Europa de la mijlocul anilor 2000: astfel de autobuze de pasageri se găsesc de mult în Amsterdam, Hamburg, Barcelona și Londra.Într-o metropolă, absența emisiilor nocive și reducerea zgomotului sunt extrem de importante. Coradia iLint, primul tren feroviar de pasageri alimentat cu hidrogen, a fost lansat în Germania în 2018. Până în 2021, sunt planificate să fie lansate încă 14 astfel de trenuri.

În următorii 40 de ani, trecerea la hidrogen ca sursă de energie primară pentru mașini ar putea revoluționa energia și economia lumii. Deși acum este clar că petrolul și gazele vor rămâne principala piață de combustibil pentru cel puțin încă 10 ani.Cu toate acestea, unele țări investesc deja în crearea de vehicule cu celule de combustibil cu hidrogen, în ciuda faptului că multe bariere tehnice și economice trebuie depășite.

Crearea infrastructurii de hidrogen, benzinării sigure este sarcina principală, deoarece hidrogenul este un gaz exploziv. Oricum, cu hidrogenul, combustibilul vehiculului și costurile de întreținere pot fi reduse semnificativ, iar fiabilitatea poate fi crescută.

Potrivit prognozelor Bloomberg, până în 2040 mașinile vor consuma 1.900 de terawați oră în loc de actualele 13 milioane de barili pe zi, ceea ce va reprezenta 8% din cererea de energie electrică, în timp ce 70% din petrolul produs astăzi în lume este destinat producției de combustibil pentru transport. . Desigur, în acest moment, perspectivele pentru piața vehiculelor electrice cu baterii sunt mult mai pronunțate și mai impresionante decât în ​​cazul pilelor de combustie cu hidrogen.

În 2017, piața vehiculelor electrice a fost de 17,4 miliarde de dolari, în timp ce piața de mașini cu hidrogen a fost evaluată la doar 2 miliarde de dolari. În ciuda acestei diferențe, investitorii continuă să fie interesați de energia cu hidrogen și să finanțeze noi dezvoltări.

Astfel, în 2017, a fost creat Consiliul Hidrogenului, care include 39 de mari producători de automobile precum Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Scopul său este de a cerceta și dezvolta noi tehnologii cu hidrogen și distribuția lor pe scară largă ulterioară.