Degvielas elements (ūdeņraža šūna): definīcija un darbības princips
Uzzini, kas ir degvielas elements (ūdeņraža šūna), kā tas rada elektrību bez emisijām, darbības principus un ūdeņraža iegūšanas veidus.
Kurināmā elements ražo elektroenerģiju, izmantojot enerģiju, kas izdalās, sajaucot degvielu ar gaisu, un šajā reakcijā rodas ūdens un dažkārt arī oglekļa dioksīds. Visizplatītākais kurināmais kurināmā elementiem ir ūdeņradis, kas, reaģējot ar skābekli no gaisa, rada tikai ūdeni. Kurināmā elementi darbojas kā akumulators, kuram pastāvīgi tiek padota degviela, tāpēc tas nekad neizsīkst (ja vien ir pietiekami daudz degvielas). Kurināmā elementi ir svarīga ūdeņraža ekonomikas daļa. Ūdeņraža molekulas ir atrodamas tādās vielās kā metāns, ūdens un biomasa, bet visos gadījumos tā iegūšanai ir nepieciešama enerģija. Ir divi izplatīti veidi, kā iegūt ūdeņradi - to var atdalīt no lielākās daļas kurināmā, piemēram, naftas, gāzes, akmeņoglēm, procesā, ko sauc par tvaika riformingu, vai arī to var iegūt no ūdens, izmantojot procesu, ko sauc par elektrolīzi. Atdalot ūdeņradi no fosilā kurināmā, izdalās oglekļa dioksīds. Ja ūdeņraža iegūšanai no ūdens ar elektrolīzes palīdzību izmanto saules vai vēja enerģiju, tad iegūtais ūdeņradis ir nekaitīgs, jo nerodas emisijas. Ūdeņradi var atdalīt arī no atjaunojamās biogāzes, kas nozīmē, ka izdalītais ogleklis nav fosilas izcelsmes un tādējādi ir daļa no dabiskā oglekļa cikla.
Kā darbojas kurināmā elements (ūdeņraža šūna)
Kurināmā elements pārvērš ķīmisko enerģiju tieši elektroenerģijā, nevis vispirms sadedzinot degvielu. Galvenās daļas ir anods, katods un elektrolīts (vai jonus vadoša membrāna). Pamatreakcija ūdeņraža kurināmā elementā (piemēram, protonu apmaiņas membrānas — PEMFC) notiek šādi:
- Pie anoda ūdeņradis (H2) sadalās protonos (H+) un elektronos (e−).
- Protoni šķērso elektrolītu vai membrānu virzienā uz katodu.
- Elektroni nevar šķērsot membrānu un plūst caur ārēju elektrisko ķēdi, radot elektrisko strāvu, kuru var izmantot ierīcēs.
- Pie katoda protoni, elektronus un skābekli saplūst, veidojot ūdeni (H2O) un atbrīvojot siltumu.
Šī elektroķīmiskā reakcija ir efektīvāka nekā vērtēšanas siltuma ģenerēšana (sadedzināšana), jo tajā mazāk enerģijas tiek pazaudēts kā siltums. Dažādi kurināmā elementu tipi izmanto dažādus elektrolītus un darbojas pie atšķirīgām temperatūrām, taču pamatprincips — ķīmiskās enerģijas tieša pārveide elektrībā — paliek nemainīgs.
Populārākie kurināmā elementu tipi
- PEMFC (protonu apmaiņas membrānas kurināmā elementi) — zemas līdz vidējas temperatūras, piemēroti transportam un tūlītējai darbībai, ātra startēšana.
- SOFC (cietā oksīda kurināmā elementi) — strādā pie ļoti augstas temperatūras (700–1000 °C), piemēroti stacionārai ražošanai ar augstu efektivitāti un kurināmā daudzveidību (dabasgāze, biogāze).
- AFC (alkalīna kurināmā elementi) — labi piemēroti kosmosa lietojumiem, jutīgi ogļskābajam gāzes piesārņojumam.
- MCFC (oglekļaatšķirīgu cieto karbonātu kurināmā elementi) — augsta temperatūra, labs darbības laiks lielām stacionārām sistēmām.
- PAFC (fosforskābes kurināmā elementi) — lieto komerciālās stacionārās elektroenerģijas sistēmās.
Priekšrocības un trūkumi
- Priekšrocības:
- Augsta enerģijas efektivitāte salīdzinājumā ar iekšdedzes dzinējiem.
- Zema (vai nav) vietējā izmešu līmeņa — ūdens ir galvenais blakusprodukts, ja kurināmais ir tīrs ūdeņradis.
- Klusa darbība un modulāra uzbūve — sistēmas var skalēt no maziem portatīviem līdz lielām stacionārām instalācijām.
- Trūkumi:
- Ūdeņraža ražošana var radīt oglekļa emisijas, ja izmanto fosilos kurināmos (piemēram, tvaika riformings), izņemot gadījumus, kad tas tiek ražots ar elektroenerģiju no atjaunojamiem avotiem.
- Infrastruktūras trūkums — nepieciešami uzpildes tīkli, droša uzglabāšana un piegāde.
- Sarežģīta materiālu un katalizatoru (piem., platīna) nepieciešamība, kas var būt dārga.
Lietojumi
Kurināmā elementus izmanto plašā jomā: transportā (automašīnas, autobusi, dzelzceļš), stacionārajā elektroapgādē (ģeneratori mājām, rūpniecībai), portatīvajās ierīcēs un kosmosa tehnoloģijās. Tie ir īpaši piemēroti vietām, kur nepieciešama tīra elektroenerģija un klusums, piemēram, slimnīcās vai attālās apdzīvotās vietās.
Ūdeņraža iegūšana un vides ietekme
Kā minēts, ūdeņradis var tikt iegūts:
- no fosilajiem kurināmajiem, izmantojot tvaika riformingu (efektīvi, bet rada CO2),
- no ūdens ar elektrolīzes palīdzību (ja elektrolīzes elektroenerģija nāk no atjaunojamiem avotiem — zems oglekļa nospiedums),
- no atjaunojamām biogāzēm, kas samazina kopējo oglekļa piesārņojumu, jo atbrīvotais ogleklis ir daļa no dabiskā oglekļa cikla.
Praktiskā tīrā sistēmā, kur elektroenerģija tiek iegūta no saules un vēja, ūdeņradis var kalpot kā enerģijas uzglabāšanas līdzeklis—pārvēršot pārpalikušu atjaunojamo enerģiju ūdeņradī, kuru vēlāk izmanto kurināmā elementā.
Nākotnes izaicinājumi un attīstība
Lai kurināmā elementu tehnoloģija kļūtu plaši izplatīta, nepieciešamas investīcijas infrastruktūrā (ūdeņraža uzpilde, transportēšana), katalizatoru un membrānu izmaksu samazināšana, kā arī efektīvāka un tīrāka ūdeņraža ražošana. Pētniecība turpina attīstīt ilgāk kalpojošus materiālus, zemākas temperatūras SOFC risinājumus un lētākus katalizatorus, kas var padarīt tehnoloģiju pieejamāku.
Apkopojot — kurināmā elementi, īpaši tie, kas izmanto tīru ūdeņradi, piedāvā efektīvu un videi draudzīgu ceļu elektroenerģijas ražošanai, bet to pilnīgai nostiprināšanai ir jārisina ūdeņraža ražošanas, uzglabāšanas, piegādes un izmaksu jautājumi.
Tiešā metanola degvielas elements. Faktiskais kurināmā elementa skurstenis ir attēla centrā redzamā slāņainā divkubiskā struktūra.
Kā pārvērst enerģiju
Ūdens ir molekula, kas sastāv no viena skābekļa atoma un diviem ūdeņraža atomiem. Lai sadalītu ūdeni skābeklī un ūdeņradī, ir vajadzīga enerģija, un enerģija izdalās, kad tie atkal tiek savienoti kopā kā ūdens. Kurināmā elements savieno ūdeņradi un skābekli atpakaļ kopā tā, ka enerģija izdalās elektrības veidā.
Degviela (enerģijas avots, parasti ūdeņradis) un gaiss (kas satur skābekli) tiek novietoti pretējās degvielas elementa pusēs. Degvielas elementa vidū starp divām metāla plāksnēm, ko sauc par elektrodiem, ir "ekrāns", ko sauc par elektrolītu, kas atdala degvielu un gaisu. Dažādu veidu degvielas elementu nosaukumi ir atkarīgi no tā, kāda veida ekrāns tiek izmantots degvielas un gaisa atdalīšanai. Ekrāns caur to var izlaist tikai noteiktas uzlādētas molekulas, ko dēvē arī par joniem.
Lai radītu jonus, ir jāpārnes elektroni no vienas sistēmas puses uz otru. Elektroni tiek atdalīti no degvielas ar metāla plāksni degvielas pusē, un tiem jāpārvietojas uz gaisa pusi, lai pabeigtu reakciju. Tā kā ekrāns neļauj elektroniem izkļūt cauri, tie pa atsevišķu vadu nonāk uz otru metāla plāksni gaisa pusē. Elektronu pārvietošanās rada elektrisko strāvu (elektrību). Vads ir vieta, kur var izmantot elektrību. Piemēram, vadu var pārgriezt uz pusēm, un starp abām pusēm var savienot spuldzīti.
Tikmēr joni izplūst cauri ekrānam un reaģē ar molekulām (kas jau atrodas otrā pusē) un elektroniem (kas ceļo pa vadu, izdalot enerģiju elektronikas darbināšanai) otrā pusē. Veidojas ūdens (un, atkarībā no degvielas veida, dažkārt arī citi produkti), kas izplūst caur izplūdes cauruli.
Efektivitāte
Kurināmā elementi ražo elektroenerģiju, apvienojot skābekli un ūdeņradi. Efektivitāte ir ļoti laba (aptuveni 40-70 %). Ja reakcijas laikā izmanto izplūdes siltumu, to maksimālais lietderības koeficients ir 83 %. Turklāt kurināmā elementos var izmantot dažādas degvielas, piemēram, dabasgāzi, metanolu, sašķidrinātu naftas gāzi (LPG), naftu, petroleju u. c.
Funkcijas
Daži kurināmā elementu veidi ražo tikai ūdeni, kas nozīmē, ka nerodas piesārņojums. Lielākā daļa kurināmā elementu veidu rada daudz mazāk emisiju nekā klasiskā ("kaloriskā") elektroenerģijas ražošana. Tie var patērēt tos pašus degvielas veidus kā klasiskie enerģijas ģeneratori, piemēram, dīzeļdzinēji, taču tie ir aptuveni divas reizes efektīvāki, kas nozīmē, ka tie var saražot tādu pašu enerģijas daudzumu ar uz pusi mazāku degvielas daudzumu un tādējādi vismaz uz pusi mazāku piesārņojumu. Turklāt tiešās konversijas kurināmā elementiem ir mazāks risks, ka tie rada sekundārās emisijas, piemēram, NOx, SOx un cietās daļiņas, kas ir sadegšanas blakusparādības, veicina globālo sasilšanu un ir pazīstamas kā kritēriju piesārņotāji.
Kurināmā elementi ir ļoti klusi. Tiem nav kustīgu detaļu, izņemot dažus ventilatorus gaisa kustībai un sūkņus ūdens kustībai, un tas nozīmē, ka tos ļoti reti nepieciešams remontēt, tomēr daži lieli kurināmā elementi, ko izmanto, piemēram, ēku barošanai, var būt diezgan trausli.
Tā kā degvielas elementi rada ļoti maz piesārņojošo vielu emisiju, tos bieži izmanto transportlīdzekļos, kas pārvietojas ēku iekšienē, piemēram, autoiekrāvēs. Tā kā tie ir ļoti klusi, tos izmanto dažās militārajās zemūdenēs, lai izvairītos no atklāšanas. Degviela tiek izmantota efektīvāk, un tas nozīmē, ka kurināmā elementi var darboties ilgāk, nesaņemot jaunu degvielu. Tas ļauj tos izmantot grūti pieejamās vietās, piemēram, meteoroloģiskajās vai pētniecības stacijās, kosmosa kuģos vai militārajās bāzēs.
Tā kā kosmosa kuģi tiek palaisti, izmantojot raķetes, kas satur tīru ūdeņradi un skābekli, elektroenerģiju uz kuģa ražo, izmantojot ļoti efektīvus kurināmā elementus, kuros var izmantot šo degvielu. Turklāt kosmosa kuģu degvielas elementi izplūdes gāzēs ražo tīru ūdeni, ko tālāk var uztvert un izmantot kā dzeramo ūdeni astronautiem, tātad pilnīgi nekas netiek izšķiests.
Kurināmā elementu veidi
Degvielas elementus var klasificēt pēc iekšējā ekrāna (elektrolīta) veida. Piemēram, fosforskābes kurināmā elementi ir paredzēti zemām temperatūrām. To izmanto mobilajos telefonos un automobiļu barošanas avotos, kam nepieciešama liela strāva, jo tas ir daudz drošāks. Sārmu kurināmā elementi parasti satur kālija hidroksīdu (KOH). Metanola degvielas elementus izmanto, elektroķīmiski reaģējot ar metanolu. Šis degvielas elementu veids ir labāka izvēle vienkāršākām sistēmām. Taču metanola kurināmā elementiem ir zems izejas blīvums, jo tā reakcijas ātrums ir lēns.
Daži svarīgi kurināmā elementu veidi:
- Fosforskābes kurināmā elements (PAFC) - Fosforskābes kurināmā elementi šodien ir komerciāli pieejami. Tie ir visizplatītākie kurināmā elementi kombinētai siltuma un elektroenerģijas ražošanai.
- Protonu apmaiņas membrānas kurināmā elements (PEM) - šie kurināmā elementi darbojas salīdzinoši zemā temperatūrā (aptuveni 175 °F), tiem ir liels jaudas blīvums, tie var ātri mainīt jaudu, lai apmierinātu enerģijas pieprasījuma izmaiņas, un ir piemēroti lietojumiem, piemēram, automobiļos, kur nepieciešama ātra iedarbināšana. Visos komerciālajos transportlīdzekļos ar kurināmā elementiem izmanto šāda tipa kurināmā elementus. Šo kurināmā elementu trūkums ir tas, ka tiem nepieciešams augstas tīrības pakāpes ūdeņradis, kura ražošana ir dārga.
- Kausēta karbonāta kurināmā elements (MCFC) - šie kurināmā elementi darbojas ļoti augstā temperatūrā, kas ļauj pārvērst sarežģītākas degvielas, piemēram, dabasgāzi, ūdeņraža degvielā, ko var izmantot pašā elementā. To iedarbināšana un izslēgšana aizņem vairākas stundas, tāpēc tos izmanto tikai tādos lietojumos, kur tie var darboties nepārtraukti, piemēram, stacionārā enerģija lielām ēkām/uzņēmumiem.
- Mikrobiālais kurināmā elements (MFC) - kurināmā elements, kas izmanto elpojošus mikrobus, lai pārvērstu organiskos substrātus elektriskā enerģijā, izmantojot oksidēšanās unreducēšanās reakcijas.
Pieteikumi
Kurināmā elementiem ir daudz pielietojumu - lielākie autoražotāji strādā pie kurināmā elementu automobiļu komercializācijas. Toyota un Honda ir izlaidušas attiecīgi Mirai un Clarity. Ar kurināmā elementiem tiek darbināti autobusi, laivas, vilcieni, lidmašīnas, motorolleri, iekrāvēji un velosipēdi. Ar kurināmā elementiem tiek darbināti tirdzniecības automāti, putekļu sūcēji un ceļazīmes. Tiek prognozēti miniatūri kurināmā elementi mobilajiem telefoniem, klēpjdatoriem un pārnēsājamai elektronikai. Slimnīcas, kredītkaršu centri, policijas iecirkņi un bankas izmanto kurināmā elementus, lai nodrošinātu savu telpu barošanu. Notekūdeņu attīrīšanas iekārtās un atkritumu poligonos tos izmanto, lai saražoto metāna gāzi pārvērstu elektroenerģijā. Degvielas elementus jau sen izmanto kosmosā. Telekomunikāciju uzņēmumi izmanto kurināmā elementus mobilo telefonu, radio un 911 torņos.
Jautājumi un atbildes
J: Kā kurināmā elements ražo elektroenerģiju?
A: Kurināmā elements ražo elektrību, sajaucot degvielu ar gaisu un izraisot reakciju, kuras laikā izdalās enerģija, radot ūdeni un dažreiz oglekļa dioksīdu.
J: Kādu degvielu visbiežāk izmanto kurināmā elementos?
A: Visbiežāk kurināmā elementos izmanto ūdeņradi.
J: Ar ko degvielas elements atšķiras no akumulatora?
A: Degvielas elements no akumulatora atšķiras ar to, ka tam nepārtraukti tiek padota degviela, tāpēc tas nekad neizsīkst, ja vien ir pietiekami daudz degvielas.
J: Kas ir ūdeņraža ekonomika?
A: Ūdeņraža ekonomika ir ūdeņraža kā degvielas avota izmantošana, lai samazinātu atkarību no fosilā kurināmā.
J: Kā ražo ūdeņradi?
A: Ūdeņradi var ražot, izmantojot procesu, ko sauc par tvaika riformingu, vai iegūt no ūdens, izmantojot procesu, ko sauc par elektrolīzi.
J: Kas notiek, kad ūdeņradis tiek atdalīts no fosilā kurināmā?
A. Atdalot ūdeņradi no fosilā kurināmā, izdalās oglekļa dioksīds.
Vai ūdeņradi var ražot tā, lai neradītu kaitīgas emisijas?
A: Jā, ja ūdeņraža ražošanai izmanto atjaunojamos avotus, piemēram, saules vai vēja enerģiju, iegūtais ūdeņradis ir nekaitīgs, jo nerodas nekādas emisijas. Ūdeņradi var atdalīt arī no atjaunojamās biogāzes, kas nozīmē, ka izdalītais ogleklis nav fosilas izcelsmes un tādējādi ir daļa no dabiskā oglekļa cikla.
Meklēt