Gorivne celice: kako delujejo, vrste in vloga v vodikovem gospodarstvu

Gorivna celica proizvaja električno energijo s pomočjo energije, ki se sprošča pri mešanju goriva z zrakom, pri čemer nastane voda in včasih tudi ogljikov dioksid. Najpogostejše gorivo za gorivne celice je vodik, ki v reakciji s kisikom iz zraka tvori le vodo. Gorivne celice delujejo kot baterija, ki se stalno oskrbuje z gorivom, tako da se nikoli ne izprazni (dokler imate dovolj goriva). Gorivne celice so pomemben del vodikovega gospodarstva. Molekule vodika so v snoveh, kot so metan, voda in biomasa, vendar je za njegovo pridobivanje v vseh primerih potrebna določena energija. Obstajata dva običajna načina pridobivanja vodika - izločimo ga lahko iz večine goriv, kot so nafta, plin in premog, v postopku, imenovanem parni reforming, ali pa ga pridobimo iz vode s postopkom, imenovanim elektroliza. Pri ločevanju vodika iz fosilnih goriv se sprošča ogljikov dioksid. Če se za pridobivanje vodika iz vode z elektrolizo uporablja sončna ali vetrna energija, je proizvedeni vodik neoporečen, saj se ne sproščajo emisije. Vodik se lahko loči tudi iz obnovljivega bioplina, kar pomeni, da izpuščeni ogljik ni fosilnega izvora in je zato del naravnega kroženja ogljika.

Kako gorivne celice delujejo

Osnovni del gorivne celice sestavljajo tri glavne komponente: anoda, katoda in elektrolit (ali membrana). Na anodi se gorivo (npr. H2) oksidira, pri čemer nastanejo protoni (H+) in elektroni (e-). Elektroni tečejo skozi zunanji tokokrog kot električni tok, protoni pa prehajajo skozi elektrolit do katode. Na katodi se sproti združijo protoni, elektroni in kisik (iz zraka) v vodo (in po potrebi toploto). Ta proces pretvarja kemijsko energijo neposredno v električno energijo, brez utekanja kot pri zgorevanju.

Poenostavljena reakcija za vodikove gorivne celice:

H2 + 1/2 O2 → H2O + električna energija + toplota

Glavne vrste gorivnih celic

PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – delujejo pri nizkih temperaturah (50–100 °C), imajo hitro odzivnost in se pogosto uporabljajo v avtomobilih in prenosnih napravah. Potrebujejo platinsko katalizo.
SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) – delujejo pri zelo visokih temperaturah (600–1000 °C), omogočajo visoko učinkovitost in uporabo več vrst goriv (vključno s plinom). Uporabne so za stacionarne elektrarne in industrijo.
MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) – delujejo pri visokih temperaturah in so primerne za večje elektrarne; lahko uporabljajo zemeljski plin kot gorivo.
PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – primerne za stacionarno uporabo in kombinirano proizvodnjo toplote in elektrike (kogeneracija).
AFC (Alkaline Fuel Cell) – visoka učinkovitost, dolgo časa so jih uporabljali v vesoljskih aplikacijah; občutljive na CO2 v dovodu zraka.

Prednosti in slabosti

Prednosti: visoka učinkovitost pri pretvorbi v elektriko, tiho delovanje, nizke lokalne emisije (predvsem pri uporabi vodika), prilagodljivost uporabi v vozilih in stacionarnih sistemih, možnost kombinirane proizvodnje toplote in elektrike.
Izzivi: stroški (cena plemenitih kovin za katalizatorje, materiali za visoke temperature), trajnost in degradacija membrane ali elektrolita skozi čas, potreba po obsežni infrastrukturi za proizvodnjo, distribucijo in shranjevanje vodika, ter varnostni ukrepi pri delu z zelo vnetljivim plinom.

Pridobivanje vodika in njegove vrste

Glede na način pridobivanja ločimo več "barv" vodika:

“Siv” vodik – pridobljen iz fosilnih goriv, npr. s parnim reformingom zemeljskega plina; povzroča emisije CO2.
“Modri” vodik – pridobljen iz fosilnih goriv, a z zajemom in shranjevanjem CO2 (CCS), kar zmanjša neto emisije.
“Zeleni” vodik – proizveden z elektrolizo vode, če je elektrika iz obnovljivih virov (sončna, vetrna), praktično brez emisij.
Biogoriva in biogen vodik – vodik, pridobljen iz bioplina ali biomase; izpuščeni CO2 je del naravnega kroženja ogljika.

Vloga v vodikovem gospodarstvu

Gorivne celice so ključni element vodikovega gospodarstva, ker omogočajo učinkovito in brezemisijsko pretvorbo shranjenega vodika nazaj v električno energijo. Vodik deluje kot energijski nosilec — omogoča prenos in shranjevanje energije proizvedene iz obnovljivih virov za uporabo v prometu, industriji in kot rezervo za uravnoteženje omrežja.

Uporabe

Transport: avtomobili, avtobusi, tovornjaki, vlakih in celo ladje z gorivnimi celicami.
Stacionarne elektrarne: oskrba z elektriko in toploto za stavbe ali industrijo (kogeneracija).
Češnje: prenosne in rezervesne enote za napajanje telekomunikacijskih naprav, oddaljenih lokacij in vojaških aplikacij.

Varnost in skladiščenje

Vodik je lahek in vnetljiv plin, zato sta pri proizvodnji, distribuciji in skladiščenju potrebna dobra zasnova in ustrezni varnostni ukrepi (detekcija puščanj, prezračevanje, ustrezni materiali in tlakovanje). Sodobne tehnologije shranjevanja vključujejo stisnjen plin, utekočinjen vodik in kemične delce/kovinske hidride za specifične aplikacije.

Zaključek

Gorivne celice ponujajo čisto in učinkovito pot za uporabo vodika kot energijskega nosilca. Njihova širša uporaba pa je povezana s potrebami po zeleni proizvodnji vodika, znižanju stroškov in razvoju infrastrukture. Napredek na področju materialov, katalizatorjev in masovne proizvodnje bo ključnega pomena za uresničitev obsežnega vodikovega gospodarstva.

Neposredna gorivna celica na metanol. Dejanski sklop gorivne celice je dvokubična struktura v sredini slike

Kako pretvoriti energijo

Voda je molekula, sestavljena iz enega atoma kisika in dveh atomov vodika. Za ločitev vode na kisik in vodik je potrebna energija, ki se sprosti, ko se ponovno sestavita v vodo. V gorivni celici se vodik in kisik ponovno združita tako, da se energija sprosti v obliki elektrike.

Gorivo (vir energije, običajno vodik) in zrak (ki vsebuje kisik) sta na nasprotnih straneh gorivne celice. Na sredini gorivne celice je "zaslon", imenovan elektrolit, ki je vstavljen med dve kovinski plošči, imenovani elektrodi, ki ločujeta gorivo in zrak. Različne vrste gorivnih celic so dobile svoja imena glede na vrsto zaslona, ki se uporablja za ločevanje goriva in zraka. Zaslon prepušča prehod le določenim nabitim molekulam, imenovanim tudi ioni.

Za nastanek ionov je treba elektrone prenesti z ene strani sistema na drugo. Elektroni se od goriva odcepijo od kovinske plošče na strani goriva in morajo za dokončanje reakcije potovati na zračno stran. Ker zaslon ne prepušča elektronov, gredo ti po ločeni žici do druge kovinske plošče na zračni strani. Potovanje elektronov ustvarja električni tok (elektriko). Žica je mesto, kjer se lahko električna energija uporablja. Žico lahko na primer prerežete na pol in med obe polovici priključite žarnico.

Medtem ioni prehajajo skozi zaslon in reagirajo z molekulami (ki so že na drugi strani) in elektroni (ki so potovali po žici in oddajali energijo za napajanje elektronike) na drugi strani. Nastane voda (in, odvisno od vrste goriva, občasno tudi drugi produkti), ki izstopi skozi izpušno cev.

Učinkovitost

Gorivne celice proizvajajo električno energijo z združevanjem kisika in vodika. Učinkovitost je zelo dobra (približno 40-70 %). Njihov največji izkoristek je 83 %, če se med reakcijo uporablja toplota izpušnih plinov. Gorivne celice lahko uporabljajo različna goriva, na primer zemeljski plin, metanol, utekočinjeni naftni plin (LPG), nafto, kerozin itd.

Značilnosti

Nekatere vrste gorivnih celic proizvajajo samo vodo, kar pomeni, da ne onesnažujejo okolja. Večina vrst gorivnih celic povzroča veliko manj emisij kot klasična ("kalorična") proizvodnja električne energije. Porabijo lahko enake vrste goriva kot klasični generatorji energije, na primer dizelski motorji, vendar so približno dvakrat bolj učinkovite, kar pomeni, da lahko s polovico manj goriva proizvedejo enako količino energije in s tem vsaj polovico manj onesnaževanja. Poleg tega je pri uporabi gorivnih celic z neposredno pretvorbo manjše tveganje za nastanek sekundarnih emisij, kot so NOx, SOx in trdni delci, ki so stranski učinki zgorevanja, prispevajo h globalnemu segrevanju in so znani kot kriterijska onesnaževala.

Gorivne celice so zelo tihe. Nimajo gibljivih delov, razen nekaterih ventilatorjev za premikanje zraka in črpalk za premikanje vode, kar pomeni, da jih je treba zelo redko popravljati, vendar so lahko nekatere velike gorivne celice, ki se uporabljajo za napajanje stvari, kot so stavbe, precej krhke.

Gorivne celice se zaradi zelo nizkih emisij onesnaževal pogosto uporabljajo v vozilih, ki se premikajo znotraj stavb, kot so viličarji. Ker so zelo tihe, se uporabljajo na nekaterih vojaških podmornicah, da jih ni mogoče odkriti. Gorivo se uporablja učinkoviteje, kar pomeni, da lahko gorivne celice delujejo dlje, ne da bi bilo treba nabaviti novo gorivo. Tako jih je mogoče uporabljati na težko dostopnih mestih, kot so vremenske ali raziskovalne postaje, vesoljske ladje ali vojaške baze.

Ker se vesoljska plovila izstreljujejo z raketami, ki vsebujejo čisti vodik in kisik, se električna energija na krovu proizvaja z zelo učinkovitimi gorivnimi celicami, ki lahko uporabljajo ta goriva. Poleg tega gorivne celice na vesoljskih ladjah ob izpuhu proizvajajo čisto vodo, ki jo je mogoče zajeti in uporabiti kot pitno vodo za astronavte, kar pomeni, da se nič ne izgublja.

Vrste gorivnih celic

Gorivne celice lahko razvrstimo glede na vrsto notranjega zaslona (elektrolita). Gorivne celice s fosforno kislino so na primer namenjene nizkim temperaturam. Uporablja se v mobilnih telefonih in avtomobilskih napajalnikih, ki zahtevajo visoke tokove, saj je veliko varnejša. Alkalne gorivne celice običajno vsebujejo kalijev hidroksid (KOH). Metanolne gorivne celice se uporabljajo z elektrokemično reakcijo metanola. Ta vrsta gorivnih celic je boljša izbira za preprostejše sisteme. Vendar imajo metanolne gorivne celice nizko izhodno gostoto, saj je hitrost reakcije počasna.

Nekatere pomembne vrste gorivnih celic so:

Gorivna celica na fosforjevo kislino (PAFC) - Gorivne celice na fosforjevo kislino so danes komercialno dostopne. So najpogostejše gorivne celice za soproizvodnjo toplote in električne energije.
Gorivne celice s protonsko membrano (PEM) - Te gorivne celice delujejo pri razmeroma nizkih temperaturah (približno 175 °F), imajo visoko gostoto moči, lahko hitro spreminjajo svojo moč, da se prilagodijo spremembam v povpraševanju po električni energiji, in so primerne za aplikacije, kot so avtomobili, kjer je potreben hiter zagon. Vsa komercialna vozila na gorivne celice uporabljajo to vrsto gorivnih celic. Slabost teh gorivnih celic je, da potrebujejo vodik visoke čistosti, katerega proizvodnja je draga.
Gorivne celice s staljenim karbonatom (MCFC) - Te gorivne celice delujejo pri zelo visokih temperaturah, ki omogočajo pretvorbo kompleksnejših goriv, kot je zemeljski plin, v vodik, ki se uporablja v sami celici. Za zagon in zaustavitev je potrebnih več ur, zato se uporabljajo le v aplikacijah, kjer lahko delujejo neprekinjeno, na primer za stacionarno napajanje velikih stavb/podjetij.
Mikrobna gorivna celica (MFC) - gorivna celica, ki uporablja dihajoče mikrobe za pretvorbo organskih substratov v električno energijo s pomočjo oksidacijsko-redukcijskih reakcij.

Aplikacije

Gorivne celice se lahko uporabljajo na različne načine - glavni proizvajalci avtomobilov si prizadevajo za komercializacijo avtomobilov na gorivne celice. Toyota in Honda sta izdali vozili Mirai in Clarity. Gorivne celice poganjajo avtobuse, ladje, vlake, letala, skuterje, viličarje in kolesa. Z gorivnimi celicami se napajajo prodajni avtomati, sesalniki in prometni znaki na avtocestah. Napovedujejo se miniaturne gorivne celice za mobilne telefone, prenosne računalnike in prenosno elektroniko. Bolnišnice, centri za kreditne kartice, policijske postaje in banke uporabljajo gorivne celice za napajanje svojih objektov. Čistilne naprave za odpadne vode in odlagališča odpadkov jih uporabljajo za pretvorbo metana, ki ga proizvajajo, v električno energijo. Gorivne celice se že dolgo uporabljajo v vesolju. Telekomunikacijska podjetja uporabljajo gorivne celice v stolpih za mobilno telefonijo, radio in številko 911.

Vprašanja in odgovori

V: Kako gorivna celica proizvaja električno energijo?

O: Gorivna celica proizvaja električno energijo tako, da meša gorivo z zrakom in povzroči reakcijo, pri kateri se sprošča energija, nastaja voda in včasih ogljikov dioksid.

V: Katero gorivo se najpogosteje uporablja v gorivnih celicah?

O: V gorivnih celicah se najpogosteje uporablja vodik.

V: Kako se gorivna celica razlikuje od baterije?

O: Gorivna celica se od baterije razlikuje po tem, da se stalno oskrbuje z gorivom, zato se nikoli ne izprazni, dokler je na voljo dovolj goriva.

V: Kaj je vodikova ekonomija?

O: Vodikovo gospodarstvo se nanaša na uporabo vodika kot vira goriva za zmanjšanje odvisnosti od fosilnih goriv.

V: Kako se proizvaja vodik?

O: Vodik se lahko proizvaja s postopkom, imenovanim parni reforming, ali pridobiva iz vode s postopkom, imenovanim elektroliza.

V: Kaj se zgodi, ko se vodik loči od fosilnih goriv?

O: Pri ločevanju vodika od fosilnih goriv se sprošča ogljikov dioksid.

V: Ali je mogoče vodik proizvesti tako, da ne povzroča škodljivih emisij?

O: Da, če se energija za proizvodnjo vodika pridobiva iz obnovljivih virov, kot sta sonce ali veter, je proizvedeni vodik neškodljiv, saj se pri tem ne sproščajo emisije. Vodik se lahko izloči tudi iz obnovljivega bioplina, kar pomeni, da izpuščeni ogljik ni fosilnega izvora in je zato del naravnega kroženja ogljika.