Vandenilio kuro elementų, skirtų švariam transportui, tendencijos ir perspektyvos

Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio bus skiriama vandenilio kuro elementams, jų taikymo tendencijoms ir perspektyvoms. Vandenilio kuro elementai šiandien sulaukia vis didesnio dėmesio automobilių pramonėje, nes jei XX amžius buvo vidaus degimo variklio amžius, tai XXI amžius gali tapti vandenilio energijos amžiumi automobilių pramonėje. Jau šiandien vandenilio elementų dėka veikia erdvėlaiviai, o kai kuriose pasaulio šalyse vandenilis elektrai gaminti naudojamas daugiau nei 10 metų.

Vandenilio kuro elementas yra elektrocheminis prietaisas, pavyzdžiui, baterija, kuri gamina elektros energiją per cheminę vandenilio ir deguonies reakciją, o cheminės reakcijos produktas yra grynas vanduo, o, pavyzdžiui, deginant gamtines dujas, susidaro aplinkai kenksmingas anglies dioksidas.

Be to, vandenilio elementai gali veikti efektyviau, todėl jie yra ypač perspektyvūs. Įsivaizduokite efektyvius, aplinkai nekenksmingus automobilių variklius.Tačiau visa infrastruktūra šiuo metu yra sukurta ir specializuota naftos produktams, o didelio masto vandenilio elementų diegimas automobilių pramonėje susiduria su šia ir kitomis kliūtimis.

Tuo tarpu nuo 1839 m. buvo žinoma, kad vandenilis ir deguonis gali chemiškai susijungti ir taip gauti elektros srovę, tai yra, vandens elektrolizės procesas yra grįžtamasis - tai patvirtintas mokslinis faktas. Jau XIX amžiuje buvo imtasi tyrinėti kuro elementus, tačiau naftos gavybos plėtra ir vidaus degimo variklio sukūrimas paliko vandenilio energijos šaltinius ir jie tapo kažkuo egzotišku, nepelningu ir brangu gaminti.

1950-aisiais NASA buvo priversta griebtis vandenilio kuro elementų, o vėliau ir dėl būtinybės. Jiems reikėjo kompaktiško ir efektyvaus energijos generatoriaus savo erdvėlaiviui. Dėl to „Apollo“ ir „Dvyniai“ į kosmosą skrido vandeniliniais kuro elementais, o tai pasirodė esąs geriausias sprendimas.

Šiandien kuro elementai visiškai nebenaudojami eksperimentinės technologijos, o per pastaruosius 20 metų buvo padaryta didelė pažanga platinant jų komercializavimą.

Ne veltui didelės viltys dedamos į vandenilio kuro elementus. Jų darbo metu aplinkos tarša yra minimali, akivaizdūs techniniai pranašumai ir saugumas, be to, šios rūšies kuras yra iš esmės autonomiškas ir gali pakeisti sunkias ir brangias ličio baterijas.

Vandenilio elemento kuras paverčiamas energija tiesiogiai vykstant cheminei reakcijai ir čia gaunama daugiau energijos nei įprastu degimu.Jis sunaudoja mažiau degalų, o efektyvumas yra tris kartus didesnis nei panašaus įrenginio, naudojančio iškastinį kurą.

Kuo didesnis efektyvumas, tuo geriau organizuotas reakcijos metu susidarančio vandens ir šilumos panaudojimo būdas. Kenksmingų medžiagų emisija yra minimali, nes išsiskiria tik vanduo, energija ir šiluma, o net ir sėkmingiausiai organizuojant tradicinio kuro deginimo procesą neišvengiamai susidaro azoto oksidai, siera, anglis ir kiti nereikalingi degimo produktai.

Be to, pačios tradicinės kuro pramonės šakos daro žalingą poveikį aplinkai, o vandenilio kuro elementai išvengia pavojingos invazijos į ekosistemą, nes vandenilį galima gaminti iš visiškai atsinaujinančių energijos šaltinių. Netgi šių dujų nutekėjimas yra nekenksmingas, nes jos akimirksniu išgaruoja.

Kuro elementui nesvarbu, iš kurio kuro jo veikimui gaunamas vandenilis. Energijos tankis kWh / l bus toks pat, o šis rodiklis nuolat didėja tobulėjant kuro elementų kūrimo technologijai.

Pats vandenilis gali būti gaunamas iš bet kokio patogaus vietinio šaltinio, nesvarbu, ar tai būtų gamtinės dujos, ar anglis, ar biomasė, ar elektrolizė (per vėjo, saulės energiją ir pan.) Dingsta priklausomybė nuo regioninių elektros tiekėjų, sistemos dažniausiai nepriklauso nuo elektros tinklų.

Celės darbinė temperatūra yra gana žema ir gali svyruoti nuo 80 iki 1000 °C, priklausomai nuo elemento tipo, o įprastame šiuolaikiniame vidaus degimo variklyje temperatūra siekia 2300 °C.Kuro elementas yra kompaktiškas, generuojant skleidžia minimalų triukšmą, neišskiria kenksmingų medžiagų, todėl jį galima pastatyti bet kurioje patogioje sistemos, kurioje veikia, vietoje.

Iš esmės ne tik elektra, bet ir cheminės reakcijos metu išsiskirianti šiluma gali būti panaudota naudingiems tikslams, pavyzdžiui, vandeniui šildyti, patalpoms šildyti ar vėsinti – taikant šį metodą energijos generavimo ląstelėje efektyvumas bus artimas. 90 proc.

Celės jautrios apkrovos pokyčiams, todėl didėjant energijos sąnaudoms, reikia tiekti daugiau degalų. Tai panašu į tai, kaip veikia benzininis variklis arba vidaus degimo generatorius. Techniškai kuro elementas įgyvendintas gana paprastai, nes nėra judančių dalių, konstrukcija yra paprasta ir patikima, o gedimo tikimybė iš esmės yra labai maža.

Vandenilio-deguonies kuro elemente su protonų mainų membrana (pavyzdžiui, „su polimero elektrolitu“) yra membrana, laidi protonus iš polimero (Nafiono, polibenzimidazolo ir kt.), skirianti du elektrodus – anodą ir katodą. Kiekvienas elektrodas paprastai yra anglies plokštė (matrica) su katalizatoriumi - platina arba platinoidų ir kitų junginių lydiniu.

Ant anodo katalizatoriaus molekulinis vandenilis disocijuoja ir praranda elektronus. Vandenilio katijonai per membraną pernešami į katodą, tačiau elektronai paaukojami išorinei grandinei, nes membrana nepraleidžia elektronų. Ant katodo katalizatoriaus deguonies molekulė susijungia su elektronu (kuris tiekiamas išoriniais ryšiais) ir įeinančiu protonu ir sudaro vandenį, kuris yra vienintelis reakcijos produktas (garų ir (arba) skysčio pavidalu).

Taip, elektromobiliai šiandien veikia su ličio baterijomis. Tačiau vandenilio kuro elementai gali juos pakeisti. Vietoj baterijos maitinimo šaltinis atlaikys daug mažesnį svorį. Be to, automobilio galią galima padidinti visai ne dėl svorio padidėjimo pridėjus akumuliatoriaus elementus, o tiesiog reguliuojant kuro padavimą į sistemą, kol jis yra cilindre. Todėl automobilių gamintojai turi didelius lūkesčius vandenilio kuro elementams.

Daugiau nei prieš 10 metų vandenilinių automobilių kūrimo darbai prasidėjo daugelyje pasaulio šalių, ypač JAV ir Europoje. Deguonis gali būti ištraukiamas tiesiai iš atmosferos oro naudojant specialų filtravimo kompresorių, esantį transporto priemonėje. Suslėgtas vandenilis laikomas didelio našumo cilindre, kurio slėgis yra apie 400 atm. Degalų papildymas trunka keletą minučių.

Aplinką tausojančio miesto transporto koncepcija Europoje taikoma nuo 2000-ųjų vidurio: tokių keleivinių autobusų jau seniai galima rasti Amsterdame, Hamburge, Barselonoje ir Londone.Metropolyje kenksmingų teršalų nebuvimas ir triukšmo mažinimas yra nepaprastai svarbūs. Pirmasis vandeniliu varomas keleivinis geležinkelio traukinys „Coradia iLint“ Vokietijoje pradėtas leisti 2018 m. Iki 2021 m. planuojama paleisti dar 14 tokių traukinių.

Per ateinančius 40 metų perėjimas prie vandenilio kaip pirminio automobilių energijos šaltinio gali pakeisti pasaulio energetiką ir ekonomiką. Nors dabar aišku, kad nafta ir dujos dar mažiausiai 10 metų išliks pagrindine kuro rinka.Nepaisant to, kai kurios šalys jau investuoja į transporto priemonių su vandenilio kuro elementais kūrimą, nepaisant to, kad reikia įveikti daugybę techninių ir ekonominių kliūčių.

Sukurti vandenilio infrastruktūrą, saugias degalines – pagrindinis uždavinys, nes vandenilis yra sprogios dujos. Bet kuriuo atveju naudojant vandenilį galima žymiai sumažinti transporto priemonių degalų ir priežiūros išlaidas bei padidinti patikimumą.

„Bloomberg“ prognozėmis, iki 2040 metų automobiliai sunaudos 1900 teravatvalandžių vietoj dabartinių 13 mln. barelių per dieną, o tai sudarys 8% elektros poreikio, o 70% šiandien pasaulyje pagaminamos naftos atitenka transporto kurui. . Žinoma, šiuo metu akumuliatorinių elektromobilių rinkos perspektyvos yra daug ryškesnės ir įspūdingesnės nei vandenilio kuro elementų atveju.

2017 metais elektromobilių rinka siekė 17,4 milijardo dolerių, o vandenilinių automobilių rinka buvo įvertinta vos 2 milijardais dolerių. Nepaisant šio skirtumo, investuotojai ir toliau domisi vandenilio energija ir finansuoja naujus projektus.

Taip 2017 metais buvo sukurta Vandenilio taryba, kuriai priklauso 39 pagrindiniai automobilių gamintojai, tokie kaip Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Jos tikslas – tirti ir plėtoti naujas vandenilio technologijas bei jų paskesnį platų platinimą.