Тенденции и перспективи за водородни горивни клетки за чист транспорт
Тази статия ще се фокусира върху водородните горивни клетки, тенденциите и перспективите за тяхното приложение. Горивните клетки на базата на водород привличат все по -голямо внимание на специалистите в автомобилната индустрия днес, защото ако 20 -ти век беше векът на двигателите с вътрешно горене, то 21 -ви век може да се превърне в век на водородната енергия в автомобилната индустрия. Вече днес, благодарение на водородните клетки, работят космически кораби, а в някои страни по света водородът се използва повече от 10 години за генериране на електричество.
Водородната горивна клетка е електрохимично устройство като батерия, която генерира електричество чрез химична реакция между водород и кислород, а продуктът на химическата реакция е чиста вода, докато при изгарянето на природен газ например се произвежда вреден за околната среда въглероден диоксид.
В допълнение, водородните клетки могат да работят с по -висока ефективност, поради което са особено обещаващи. Представете си ефективни, екологично чисти двигатели на автомобили. Но в момента цялата инфраструктура е изградена и специализирана за петролни продукти, а мащабното въвеждане на водородни елементи в автомобилната индустрия се натъква на тази и други пречки.
Междувременно от 1839 г. е известно, че водородът и кислородът могат да се комбинират химически и по този начин да получат електрически ток, тоест процесът на електролиза на водата е обратим — това е потвърден научен факт. Още през 19 век започват да се изучават горивните клетки, но развитието на производството на петрол и създаването на двигател с вътрешно горене оставят водородни източници на енергия и те се превръщат в нещо екзотично, не печелившо и скъпо за производство.
През 50 -те години НАСА беше принудена да прибегне до водородни горивни клетки, а след това и от крайна нужда. Те се нуждаеха от компактен и ефективен генератор на енергия за своите космически кораби. В резултат на това Аполон и Близнаци полетяха в космоса на водородни горивни клетки — това се оказа най -доброто решение.
Днес горивните клетки са напълно излезли от експерименталната технология и през последните 20 години е постигнат значителен напредък в по -широката им комерсиализация.
Не напразно се възлагат големи надежди на водородни горивни клетки. В процеса на тяхната работа замърсяването на околната среда е минимално, техническите предимства и безопасността са очевидни, освен това този вид гориво е фундаментално автономно и е в състояние да замени тежки и скъпи литиеви батерии.
Горивото на водородна клетка се превръща в енергия директно в хода на химическа реакция и тук се получава повече енергия, отколкото при конвенционалното изгаряне. Консумира се по -малко гориво, а ефективността е три пъти по -висока от тази на подобно устройство, използващо изкопаеми горива.
Ефективността ще бъде колкото по -висока, толкова по -добре организиран начинът на оползотворяване на водата и топлината, генерирани по време на реакцията. Емисиите на вредни вещества са минимални, тъй като се отделят само вода, енергия и топлина, докато дори при най -успешно организирания процес на изгаряне на традиционното гориво неизбежно се образуват азотни оксиди, сяра, въглерод и други ненужни продукти от горенето.
В допълнение, самите конвенционални горивни индустрии имат пагубен ефект върху околната среда, а водородните горивни клетки избягват опасно нахлуване в екосистемата, тъй като производството на водород е възможно от напълно възобновяеми енергийни източници. Дори изтичането на този газ е безвредно, тъй като се изпарява мигновено.
Горивната клетка няма значение от кой горивен водород се получава за нейната работа. Плътността на енергията в kWh / l ще бъде същата и този показател непрекъснато се увеличава с усъвършенстването на технологията за създаване на горивни клетки.
Самият водород може да бъде получен от всеки удобен местен източник, независимо дали става въпрос за природен газ, въглища, биомаса или електролиза (чрез вятър, слънчева енергия и др.) Зависимостта от доставчиците на електроенергия от регионите изчезва, системите обикновено са независими от електрически мрежи.
Работните температури на клетката са доста ниски и могат да варират от 80 до 1000 ° C, в зависимост от вида на елемента, докато температурата в конвенционален съвременен двигател с вътрешно горене достига 2300 ° C. Горивната клетка е компактна, излъчва минимум шум по време на генериране, няма емисии на вредни вещества, така че може да бъде поставена на всяко удобно място в системата, в която работи.
По принцип не само електричеството, но и топлината, която се отделя по време на химическа реакция, може да се използва за полезни цели, например за отопление на вода, отопление на помещения или охлаждане — с този подход ефективността на генериране на енергия в клетка ще се доближи до 90%.
Елементите са чувствителни към промените в натоварването, поради което с увеличаване на потребителската мощност трябва да се подава повече гориво. Това е подобно на начина, по който работи бензинов двигател или генератор с вътрешно горене. Технически, горивната клетка се реализира доста просто, тъй като няма движещи се части, дизайнът е прост и надежден, а вероятността за повреда е фундаментално изключително малка.
Водород-кислородна горивна клетка с протонообменна мембрана (например «с полимерен електролит») съдържа мембрана, провеждаща протони от полимер (Nafion, полибензимидазол и др.), Която разделя два електрода-анода и катода. Всеки електрод обикновено е въглеродна плоча (матрица) с поддържан катализатор — платина или сплав от платиноиди и други състави.
На анодния катализатор молекулярният водород се дисоциира и губи електрони. Водородните катиони се пренасят през мембраната към катода, но електроните се даряват на външната верига, тъй като мембраната не пропуска електроните. На катодния катализатор кислородната молекула се комбинира с електрон (който се доставя от външни комуникации) и входящ протон и образува вода, която е единственият продукт на реакцията (под формата на пара и / или течност).
Да, електрическите автомобили днес работят на литиеви батерии. Водородните горивни клетки обаче могат да ги заменят. Вместо батерия, източникът на захранване ще издържи много по -малко тегло. В допълнение, мощността на автомобила може да се увеличи изобщо не поради увеличаването на теглото поради добавянето на батерийни клетки, а просто чрез регулиране на подаването на гориво към системата, докато тя е в цилиндъра. Следователно производителите на автомобили имат големи очаквания за водородни горивни клетки.
Преди повече от 10 години работата по създаването на автомобили с водород започна в много страни по света, особено в САЩ и Европа. Кислородът може да бъде извлечен директно от атмосферния въздух с помощта на специален филтриращ компресорен блок, разположен на борда на превозното средство. Сгъстеният водород се съхранява в тежкотоварен цилиндър под налягане от около 400 atm. Зареждането с гориво отнема няколко минути.
Концепцията за екологично чист градски транспорт се прилага в Европа от средата на 2000-те години: такива пътнически автобуси отдавна са открити в Амстердам, Хамбург, Барселона и Лондон.В един мегаполис липсата на вредни емисии и намаленият шум са изключително важни. Coradia iLint, първият железопътен пътнически влак, задвижван с водород, стартира в Германия през 2018 г. До 2021 г. се планира пускането на още 14 такива влака.
През следващите 40 години преминаването към водород като основен източник на енергия за автомобилите може да направи революция в енергията и икономиката на света. Въпреки че сега е ясно, че петролът и газът ще останат основните на пазара на горива още поне 10 г. Независимо от това, някои държави вече инвестират в създаването на превозни средства с водородни горивни клетки, въпреки факта, че много технически и икономически бариери трябва да бъдат преодолени.
Създаването на водородна инфраструктура, безопасни бензиностанции е основната задача, тъй като водородът е експлозивен газ. По един или друг начин, с водород, разходите за гориво и поддръжка на превозни средства могат да бъдат значително намалени и надеждността може да бъде увеличена.
Според прогнозите на Bloomberg, до 2040 г. колите ще консумират 1900 тераватчаса вместо сегашните 13 милиона барела на ден, което ще бъде 8% от търсенето на електроенергия, докато 70% от петрола, произведен днес в света, отива за производство на гориво за транспорт. Разбира се, в този момент перспективите за пазара на електрически превозни средства с батерии са много по -изразени и впечатляващи, отколкото в случая на водородни горивни клетки.
През 2017 г. пазарът на електрически превозни средства беше 17,4 милиарда долара, докато пазарът на водородни автомобили беше оценен само на 2 милиарда долара. Въпреки тази разлика, инвеститорите продължават да се интересуват от водородна енергия и да финансират нови разработки.
Така през 2017 г. бе създаден Съветът по водород, който включва 39 големи производители на автомобили като Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Неговата цел е да изследва и разработва нови водородни технологии и последващото им широко разпространение.