O celula de combustibil cu hidrogen foloseste energia chimica a hidrogenului pentru a produce electricitate. Este o forma curata de energie, electricitatea, caldura si apa fiind singurele produse si subproduse. Celulele de combustibil ofera o varietate de aplicatii, de la transport la energie de rezerva de urgenta si pot alimenta sisteme la fel de mari ca o centrala electrica sau la fel de mici ca un laptop.
Celulele de combustibil ofera avantaje fata de tehnologiile traditionale pe baza de combustie, inclusiv eficienta mai mare si emisii mai mici. Intrucat celulele cu combustibil cu hidrogen emit doar apa, nu exista emisii de dioxid de carbon sau alti poluanti degajati in atmosfera. Celulele de combustibil sunt, de asemenea, silentioase in timpul functionarii, deoarece au mai putine piese in miscare decat tehnologiile de ardere.
Cum functioneaza o celula cu combustibil cu hidrogen?
Pilele de combustie cu hidrogen genereaza electricitate utilizand o reactie chimica. Fiecare celula de combustibil are doi electrozi; un anod negativ si un catod pozitiv. Reactia de producere a energiei electrice are loc la acesti electrozi, cu un electrolit care transporta particule incarcate electric intre ele si un catalizator pentru a accelera reactiile.
Hidrogenul actioneaza ca combustibil de baza intr-o celula de combustibil cu hidrogen, dar si celula are nevoie de oxigen pentru a functiona. Unul dintre cele mai mari avantaje ale acestor pile de combustie este ca genereaza electricitate cu foarte putina poluare, deoarece hidrogenul si oxigenul utilizat pentru a genera electricitatea se combina pentru a produce apa ca produs secundar. Celulele care utilizeaza hidrogen pur ca combustibil sunt complet lipsite de carbon.
Alte tipuri de sisteme de pila de combustibil includ cele care utilizeaza combustibili cu hidrocarburi precum gazul natural, biogazul sau metanolul. Deoarece pilele de combustie folosesc mai degraba o reactie electrochimica decat combustia, ele pot obtine eficiente mai mari decat cu metodele traditionale de producere a energiei. Acest lucru poate fi imbunatatit in continuare prin intermediul unor generatoare combinate de caldura si energie care utilizeaza caldura reziduala din celula pentru aplicatii de incalzire sau racire.
Procesul prin care functioneaza o celula de combustibil poate fi rezumat dupa cum urmeaza:
- Atomii de hidrogen intra la anod, in timp ce oxigenul este alimentat catre catod
- Atomii de hidrogen sunt separati in protoni si electroni la anod
- Protonii acum incarcati pozitiv trec prin membrana (sau electrolit) catre catod, electronii incarcati negativ urmand o cale diferita, deoarece sunt fortati printr-un circuit pentru a genera electricitate
- Dupa ce au trecut prin circuit si membrana in consecinta, electronii si protonii se intalnesc la catod unde se combina cu oxigenul pentru a produce caldura si apa ca subproduse.Celulele de combustibil singulare nu genereaza o cantitate mare de energie electrica, asa ca sunt aranjate in stive pentru a crea suficienta energie pentru scopul propus, indiferent daca alimenteaza un dispozitiv digital mic sau o centrala electrica.
Celulele de combustibil functioneaza ca bateriile, dar, spre deosebire de baterii, acestea nu se vor descarca sau vor necesita reincarcare si pot continua sa produca energie electrica in timp ce sursa de combustibil (in acest caz, hidrogen) este furnizata.
Fiind compus dintr-un anod, catod si o membrana electrolitica, nu exista parti in miscare intr-o celula de combustibil, ceea ce le face silentioase in functionare si extrem de fiabile.
Argumente pro si contraExista o serie de avantaje si dezavantaje asociate cu celulele de combustibil cu hidrogen, beneficiile includ:
- Durabilitate
- Securitatea energetica
- Flexibilitatea combustibilului
- Eficiente ridicate
- Emisii reduse / zero
- Operatiune silentioasa
- Fiabilitate
- Scalabilitate
Provocarile asociate cu pilele de combustibil includ:
1. Cost
Costul celulelor de combustibil poate fi ridicat avand in vedere utilizarea platinei ca unul dintre cele mai mari materiale componente. Exista lucrari in desfasurare pentru a gasi abordari de catalizator non-platina
2. Extragerea hidrogenului
Extragerea hidrogenului pentru utilizarea in pilele de combustibil poate necesita multa energie pentru a realiza, subminand beneficiile ecologice ale utilizarii pilelor de combustie
3. Infrastructura
Este necesar sa se creeze infrastructura pentru a sprijini cresterea utilizarii pilelor de combustibil, inclusiv pentru adaptarea vehiculelor
4. Siguranta
Natura inflamabila a hidrogenului prezinta preocupari evidente de siguranta pentru utilizarea sa pe scara larga.
Aflati mai multe despre argumente pro si contra aici
Intrebari frecvente
La ce se folosesc?
Celulele de combustibil cu hidrogen ofera o gama larga de aplicatii, de la alimentarea caselor si afacerilor noastre pana la deplasarea vehiculelor precum autoturisme, autobuze si trenuri si multe altele. Iata o selectie de utilizari ale pilelor de combustibil:
1. Puterea
Celulele de combustibil actioneaza ca surse de energie pentru o varietate de aplicatii comerciale, industriale si rezidentiale. Acestea variaza de la case la nave spatiale si statii de cercetare. Celulele de combustibil sunt deosebit de utile pentru locatii indepartate datorita lipsei de piese in miscare, ceea ce inseamna ca sunt extrem de fiabile si este putin probabil sa cedeze. Conditiile ideale asigura o fiabilitate de pana la 99,9999%, care este egala cu mai putin de un minut de nefunctionare la fiecare sase ani.
2. Cogenerare
Celulele de combustibil pot fi facute si mai eficiente prin cogenerare. Aici sistemele cu pile de combustie sunt folosite pentru a genera energie, in timp ce caldura uzata produsa este utilizata pentru incalzirea cladirilor sau a sistemelor de racire electrica. Sistemele de cogenerare pot atinge 85% eficienta (din care 40-60% sunt electrice). Cu toate acestea, aceste sisteme pot fi costisitoare si au o durata de viata relativ scurta, precum si ocuparea spatiului cu necesitatea unui rezervor de stocare a apei calde.
3. Transport
Celulele de combustibil pot fi utilizate pentru o varietate de aplicatii de transport, de la automobile la autobuze, nave, trenuri si aeronave. Celulele de combustibil sunt, de asemenea, incorporate in motociclete, biciclete si scutere.
18.000 de vehicule electrice cu pile de combustibil (FCEV) au fost inchiriate sau vandute pana la sfarsitul anului 2019, iar aceste automobile au o autonomie medie cuprinsa intre 314 si 380 de mile intre realimentare, in timp ce realimentarea dureaza mai putin de cinci minute, facand aceasta tehnologie competitiva fata de baterie masini electrice care necesita mult mai mult timp pentru incarcare. In plus, celulele de combustibil care utilizeaza hidrogen gazos consuma cu aproximativ 40% mai putina energie si emit cu 45% mai putine gaze cu efect de sera decat motoarele cu ardere interna. Cu toate acestea, pentru a fi o optiune cu adevarat viabila, multe dintre provocarile legate de stocarea, transportul si extractia hidrogenului vor trebui abordate.
In ciuda provocarilor legate de automobilele cu celule de combustibil, autobuzele cu celule de combustibil se dovedesc deja eficiente, in timp ce stivuitoarele sunt, de asemenea, un factor cheie al cererii de combustibil cu hidrogen. Stivuitoarele sunt de un interes deosebit, deoarece de multe ori trebuie sa functioneze in interior, unde emisiile trebuie controlate. Aceasta inseamna ca stivuitoarele electrice sunt adesea folosite, dar celulele de combustibil ofera beneficii fata de puterea bateriei, inclusiv alimentarea mai rapida si lipsa degradarii la temperaturi scazute de functionare, cum ar fi in depozitele frigorifice.
Celulele de combustibil au fost, de asemenea, utilizate pentru vehiculele aeriene cu echipaj, folosind adesea o combinatie de tehnologii, cum ar fi o celula de combustibil cu membrana de schimb de protoni cu un hibrid de baterie ca rezerva in timpul testarii. Celulele de combustibil sunt utilizate pe scara mai larga in vehiculele aeriene fara pilot, precum si pentru furnizarea de energie auxiliara aeronavelor, inlocuirea combustibililor fosili pentru aplicatii precum pornirea motoarelor si alimentarea electrica la bord.
Celulele de combustibil au fost folosite si pentru ambarcatiunile turistice de pe canalele din Amsterdam, iar marinei germane si italiene au folosit celule de combustibil pentru a permite submarinelor sa ramana scufundate saptamani intregi, imbunatatind in acelasi timp operatiunile de rulare silentioase.
4. Putere portabila
Sistemele portabile cu celule de combustibil sunt clasificate ca avand o greutate mai mica de 10 kg si producand o putere mai mica de 5 kW. Aceste tipuri de celule au o gama larga de aplicatii pentru alimentarea dispozitivelor mici de 1-50w si pentru generarea mai mare de energie de 1-5kW pentru locatii indepartate.
Celulele mai mici de microfuel isi propun sa ajunga pe piete precum dispozitive mobile si laptopuri cu avantaje, inclusiv densitatea energiei si reducerea greutatii in comparatie cu bateriile litiu-ion. Patrunderea pe piata ar necesita unele dezvoltari ulterioare in tehnologia pilelor de combustibil pentru a reduce costurile, dar promisiunea unor durate mai mari de utilizare intre incarcare este atragatoare.
Puterea portabila la scara mai mare arata promitatoare pentru sectorul de agrement, militare si aplicatii industriale la distanta geografica, cum ar fi statiile meteorologice. Avantajele pentru aceste stive de celule mai mari, dar inca portabile, este cantitatea de energie care poate fi generata pe greutate in comparatie cu bateriile.
5. Alte aplicatii
Utilizarile enumerate mai sus sunt doar cateva dintre exemplele in care ar putea fi utilizate pilele de combustibil. Alte aplicatii includ energie electrica pentru statii de baza si site-uri de celule, generare distribuita de energie, sisteme de alimentare de urgenta ca rezerva pentru cazurile in care alte sisteme cedeaza, telecomunicatii, centrale electrice cu sarcina de baza, incalzire cu apa solara cu pila de combustibil cu hidrogen, statii de incarcare portabile pentru dispozitive electronice mici , aparate mici de incalzire, conservarea alimentelor pentru containerele de transport (evacuarea oxigenului prin generarea de energie electrica) si senzori electrochimici.
Cine a inventat celulele de combustibil cu hidrogen?
Primele celule de combustibil au fost inventate in 1838 de Sir William Grove, cu toate acestea au trecut peste un secol mai tarziu pana cand pilele de combustibil au fost utilizate pentru prima data in comert, ca urmare a inventiei celulei de combustibil hidrogen oxigen de catre Francis Thomas Bacon in 1932.
Celulele de combustie alcaline, cunoscute si sub denumirea de „Bacon Fuel Cell” dupa inventatorul lor, sunt utilizate de NASA de la mijlocul anilor 1960, unde sunt utilizate pentru a furniza energie satelitilor si capsulelor spatiale.
Cat dureaza?
Durata de viata exacta a unei celule de combustibil depinde de la ce se foloseste, la fel ca si modul in care bateriile se descarca la viteze diferite, in functie de aplicatie. Cu toate acestea, ca exemplu, autovehiculele cu celule de combustibil cu hidrogen pot acum sa medieze intre 312 si 380 de mile inainte de a avea nevoie de realimentare.
Stivele de celule de combustibil din masini sunt proiectate sa reziste pe toata durata de viata a vehiculului, care este de aproximativ 150.000 pana la 200.000 de mile. Odata ce si-au finalizat durata de viata, celulele de combustibil pot fi dezasamblate si materialele reciclate.
Celulele de combustibil cu hidrogen sunt o sursa de energie regenerabila?
Abundenta de hidrogen din univers inseamna ca pilele de combustibil cu hidrogen sunt o sursa regenerabila de energie. Ele sunt, de asemenea, o metoda curata de producere a energiei, desi exista inca unele ingrijorari cu privire la utilizarea combustibililor fosili pentru extractia hidrogenului, precum si amprenta potentiala de carbon asociata cu transportul hidrogenului, de exemplu.
Cu toate acestea, tehnologia cu pila de combustibil cu hidrogen are potentialul de a fi o sursa de energie complet ecologica si regenerabila, singurele subproduse fiind caldura (care poate fi utilizata in alta parte) si apa.
In plus, celulele de combustibil nu se descarca sau necesita reincarcare ca bateriile, atat timp cat exista o sursa constanta de combustibil si oxigen.
Sunt periculoase?
Hidrogenul are cea mai mare gama de inflamabilitate si cel mai scazut punct de energie de aprindere al oricarui combustibil, ceea ce duce la preocupari evidente cu privire la siguranta celulelor de combustie cu hidrogen. Cu toate acestea, in ciuda acestui fapt, Asociatia Nationala pentru Protectia impotriva Incendiilor din Statele Unite a stabilit ca vehiculele electrice cu pila de hidrogen si cu baterie nu sunt mai periculoase decat vehiculele traditionale cu motor cu ardere.
O parte a motivului pentru aceasta este viteza cu care hidrogenul se disipeaza in aer. Hidrogenul se difuzeaza direct in spatiu cu o viteza de 20 mph, astfel incat, atata timp cat nu este prins in interiorul unui container sau structura suficient de lunga pentru a se acumula in cantitati mari, nu ar trebui sa fie prea periculos.
De asemenea, au fost efectuate teste pe rezervoarele de combustibil cu hidrogen din vehicule, simuland o coliziune si fiind impuscate la distanta. Militarii au legat chiar si o grenada propulsata de rachete pe partea laterala a rezervorului de combustibil cu hidrogen pentru a simula o lovitura directa si, de asemenea, a simulat daune de srapnel. In toate cazurile, s-a constatat ca combustibilul cu hidrogen nu este mai periculos decat combustibilii lichizi si, in majoritatea cazurilor, mai putin.
De fapt, vehiculele cu celule de combustibil cu hidrogen ar putea fi considerate mai sigure decat vehiculele electrice cu baterie (BEV). Energia dintr-un BEV nu se degaja in atmosfera ca si in cazul hidrogenului, ceea ce inseamna ca exista pericolul ca celulele vecine sa ia foc sau sa explodeze intr-un punct ulterior. De asemenea, este dificil sa se stinga un incendiu al bateriei BEV, care produce vapori toxici.
Desigur, pilele de combustibil cu hidrogen au fost utilizate pe scara larga pentru stivuitoare de peste un deceniu fara incidente majore, in timp ce mii de vehicule cu pila de hidrogen sunt deja pe drumurile noastre.
Atunci cand este utilizat in aer liber, hidrogenul este considerat mai sigur decat alte tipuri de combustibil, dar poate fi totusi periculos atunci cand este depozitat sau tinut intr-un loc unde nu poate scapa. Acestea fiind spuse, expertii nu cred ca hidrogenul este mai periculos decat alti combustibili; totul este o chestiune de a invata cum sa o gestionati in siguranta.
Masinile cu pila de combustibil cu hidrogen sunt viitorul?
Exista o multime de producatori care au investigat tehnologia celulelor de combustibil cu hidrogen si unii au creat masini cu hidrogen in numar mic, dar ar putea sa satisfaca nevoile noastre viitoare de transport?
Hidrogenul este folosit de ani de zile pentru alimentarea motoarelor si este cel mai abundent element de pe planeta noastra, in timp ce capacitatea de a produce multa energie intr-un dispozitiv mic inseamna ca masinile alimentate cu hidrogen ar putea calatori mult mai departe decat vehiculele complet electrice. Exista, de asemenea, beneficii in ceea ce priveste emisiile, facandu-l cel mai curat combustibil disponibil.
Cererea de transport mai curat este clara, vanzarile de masini electrice cu baterie crescand cu 162% in anul pana in noiembrie 2020, comparativ cu ultimele 12 luni. Cu toate acestea, acest lucru inseamna, de asemenea, ca multi producatori investesc mai degraba in vehicule electrice decat in hidrogen. Un alt obstacol in calea absorbtiei este lipsa infrastructurii, cu prea putine statii de alimentare cu hidrogen pentru ca soferii sa le poata folosi cat pot cu benzina si motorina.
In ciuda acestor dificultati, exista o serie de motive pentru care celulele de combustibil cu hidrogen ar putea fi viitorul masinii; nu in ultimul rand beneficiile de mediu, timpii de realimentare in comparatie cu incarcarea bateriei si abundenta de combustibil.
Multi producatori se uita deja la hidrogen ca o completare a energiei electrice, care in prezent produce aproximativ aceeasi cantitate de CO2 pe durata de viata a unui vehicul (124g / km pentru vehicule electrice si 120g / km pentru pilele de combustibil cu hidrogen). Cu toate acestea, utilizarea biomasei pentru obtinerea hidrogenului ar putea duce la scaderea emisiilor ciclului de viata de la autovehiculele cu celule de combustibil la aproximativ 60g / km de CO2; semnificativ mai mica decat cea realizabila cu vehiculele electrice.
Cu toate acestea, pentru a deveni cu adevarat viitorul masinii, celulele de combustibil cu hidrogen au nevoie de investitii in tehnologie si infrastructura de sprijin pentru a permite realimentarea cu usurinta. Pana cand acest lucru nu se va intampla, pilele de combustibil cu hidrogen nu vor putea concura cu vehiculele electrice sau benzina si motorina.
Concluzie
Celulele de combustibil cu hidrogen sunt folosite de mai multe decenii pentru o gama larga de aplicatii, de la dispozitive electronice mici pana la vehicule. Hidrogenul este cea mai curata energie disponibila si nu este atat de periculos pe cat credeti.
Celulele de combustibil cu hidrogen sunt deja utilizate pe scara larga pentru vehicule precum stivuitoarele, dar este nevoie de o infrastructura imbunatatita inainte ca acestea sa poata provoca intr-adevar un loc ca metoda principala de alimentare a nevoilor noastre de transport.
Cu toate acestea, cu multe beneficii foarte reale, pilele de combustibil cu hidrogen par sa fie parte a viitorului generarii de energie intr-o anumita forma.