ELEKTROTEHNI KI FAKULTET BEOGRAD Diplomski rad –mentor- prof. dr. DU AN MIKI
GORIVNE
ELIJE
IZVORI ELEKTRI NE ENERGIJE
Stud. Predrag olakovi
BEOGRAD Mart 2007.
SADR AJ UVOD……………………………………………………………………………………. 1 Uop teno o gorivnim elijama……………………………………………………..……1 Globalni energetski problemi…………………………………………………...…….…5 Predvi anje daljeg razvoja……………………………………………………………....4 Obnovljivi i neobnovljivi alternativni izvori energije………………………………......7 ISTORIJA GORIVNIH ELIJA……………………………………………………….8 ELEKTROHEMIJSKI ASPEKT GORIVNIH ELIJA…………………...…...…...12 TERMODINAMIKA GIROVNIH ELIJA……………………………...……….….15 ELEKTRI NE KARAKTERISTIKE GORIVNIH ELIJA………….………...….17 OSNOVNI TIPOVI GORIVNIH ELIJA………………………………………….21 -GORIVNE ELIJE SA PROTONSKOM MEMBRANOM……………..…..…...22 Princip rada………………………………………………………………….…..……22 Karakteristike gustine snage i gustine struje……………………………………….....23 Stek PEM gorivnih elija………………………………………………………..……24 Sistem potrban za normalno funkcionisanje PEM steka………………………………..…....24
Efikasnost PEM gorivnih elija………………………………………………......…..26 Primeri PEM stekova gorivnih elija…………………………………………………27 -GORIVNE ELIJE SA DIREKTNOM KONVERZIJOM METANOLA….……29 Princip rada……………………………………………………………………...……29 Pobolj nje karakteristika DM gorivnih elija kori enjem Naifon ®-a…………...…..30 Pobolj anje karakteristika postignuto u kompaniji Toray Industries Inc…………..…31 Primena DM FC………………………………………………………………..……..33 -GORIVNE ELIJE SA DIREKTNOM KONVERZIJOM ETANOLA…….…..34 Princip rada…………………………………………………………………………...35 Primena DEFC…………………………………………………………………………36 -ALKALNE GORIVNE ELIJE…………..………………………….………….…37 -GORIVNE ELIJE SA FOSFORNOM KISELINOM……………………...........39 -GORIVNE ELIJE (BATERIJE) CINK-VAZDUH………………..……….........41 -GORIVNE ELIJE SA ISTOPLJENIM UGLJENIKOM……………….……....43 -GORIVNE ELIJE SA VRSTIM OKSIDIMA………………...…………...…..45 Uvod i princip rada…………………………………………………………...………45 Reverzibilne SOFC……………………………………………..……………..….……46 DO SO FC……………………………………………………………………...……….46 Primeri SOFC……………………………………………………………………...…..47 Gasifikacija uglja……………………………………………………………………..48
-GORIVNE ELIJE NA UGLJENIK……………………………...……………….49 Princip rada…………………………………………………………………………...49 Vrste goriva koje koriste……………………………………………………………...51 Energetski bilans……………………………………………………………………...51 Gasifikacija uglja sa SOFC……………………………………………………………54 VODONIK KAO GORIVO…………….…………………………………………...…56 Dobijanje vodonika…………………………………………………………………...57 Skladi tenja vodonika………………………………………………………………...59 Bezbenost kori enja vodonka………………………………………………...…...…61 Cena vodonika…………………………………………………………………….….62 Distribucija vodonika……………………………………………………………........62 GORIVNA ELIJA KAO ELEKTRI NI GENERATOR………………….………63 Primena gorivnih elija u energetici…………………………………………………64 Ku a na gas………………………………………………………………….….……74 Generatori manjih snaga ………………………………………………………….....75 PRIMENA GORIVNIH ELIJA U MOTORNIM VOZILIMA……………………77 Dosada nja dostignu a i predvi anje njihovog daljeg razvoja………………............78 Osnovna konstrukcija automobila na gorivne elije………………………………....79 Primeri nekih vozila na gorivne elije………………………………………...…….82 Pumpe za dopunjavanje vodonika…………………………………………………...86 Bezbednost skladi tenja vodonika u vozilima……………………………………….87 Autobusi na gorivne elije……………………………………………………..…….89 PRIMENA GORIVNIH ELIJA U SVEMIRU…………………………..…….…....95
UVOD Uop teno o gorivnim elijama. Gorivna elija je elektrohemijski element koji tro i vodonik (ili goriva bogata vodonikom) proizvodi elektri nu energiju. Tom prilikom ona uzima i kiseonik (naj e iz vazduha) koji joj je neophodan za rad i pored struje kao produkt reakcije (kiseonika i vodonika) daje i vodu, a tako e osloba a i toplotu. Ona proizvodi struju dokle god joj se dovode reaktansi potrebni za reakciju tj. kiseonik i vodonik. Kiseonik (Vazduh)
Vodonik
DC Struja Voda
Toplota
Slika: Princip rada gorivne elije.
Slika: Stek gorivnih elija (jedna g. . daje napon ne to manji od 1V zbog ega se vi e njih vezuje redno u stek radi dobijanja ve ih napona)
Gorivne elije su izmi ljene pre vi e od jednog veka, ali sve do skora nije postojala potreba za njihovom irom komercijalnom primenom. Cena nafte i uop te foslinih goriva bila je niska i nije se razmi ljalo o drugim izvorima energije. Ali danas kada je postlo jasno da njihovi prirodni resursi i zalihe ne e trajati ve no, i jo uz neprekidni astronomski rast njihovih cena, potraga za alternativnim izvorima energije nikada do sada nije bila toliko aktuelna. Drugi kriti an faktor bio je ekolo ke prirode jer sagorvanje fosilnih goriva vodi do rapidnog globalnog zagrevanja i drugih ekolo kih problema. Usled svega ovoga name u se alternativni izvori energije, od kojih pored sun eve energije, energije vetra, iskori enja bio goriva i nekih drugih , gorivne elije predstavljaju najperspektivnijeg kandidata. Danas gorivne elije imaju ve iroku primenu u svakodnevnom ivotu. Vi e hiljada sistema sa gorivnim elijama irom sveta napaja razne objekte: bolnice, kole, poslovne zgrade, hotele, aerodrome, fabrike…, obezbe uju i njihovo primarno elektri no napajanje ili rade i kao dopuna nekog drugog elktro energ. sistema. Slika levo: PC-25 elektrana na gorivne elije sa fosfornom kiselinom (PA FC) koja provereno napaja elektri nom energijom razne objekte irom sveta. Slika desno: Cela zgrada Time 4 Square u New Yorku, snabdeva se elektri nom energijom iz sopstvene elektrane na gorivne elije.
1
Uop te gorivne elije su idealne za energetske sisteme bilo povezani u mre u kao dopuna, ili instalirani kao nezavisna mre a generatora. Neke zapadno evropske i ameri ke kompaije razvijaju elektrane na gorivne elije snaga i ve ih od 2MW koje su za sada uglavnom samo demonstracijske prirode. One treba da poka u da pretvaranje goriva u elektri nu energiju mo e da se vr i sa jako velikim stepenom iskori enja (70%). Tako e gorive elije ne proizvode buku, i isto tako su ekolo ki prihvatljive jer nezaga uju ivotnu sredinu. Toplota koju osloba aju prilikom proizvodnje elektri ne energije mo e se iskoristiti i u dodatne svrehe, kao naprimer dogrejanje vode i prostorija objekta koji elektri no napajaju. Tehnologija gorivnih elija polako po inje da ulazi i u automobilsku industriju. Danas ve skoro svi vode i proizvo i automobila imaju predstavljena vozila na gorivne elije od koji se neka mogu kupiti i u klasi noj prodaji. Dosta evropskih i svetskih gradovi poseduju tako e i stanice za dopunjavanje vodonka. Slika: Elektrana sa gorivnim elijama u Essenu daje 250kW elektri ne snage +180KW termalne snage.
Slika: Volkwagen hymotion, automobil na gorivne elije.
Slika: Mercedesov automobil na gorivne elije.
Slika: Ekolo ki Mini Moris dopunjava vodoni no gorivo.
U nekim evropskim (i svetskim) metropolama kao to su Barselona, Madrid, Porto, Amsterdanm, Hamburg, tudgard, Luksemburg, Stokholm, London,… na odre enim destinacijama ve uveliko saobra aju autobusi na gorivne elije, demonstriraju i svoj ekolo ki karakter. Tako e brojna druga vozila, kao to su naprimer vilju kari ili pomo na vozila na aerodromima koriste motore na gorivne elije, i o ekuje se da e ona ozbiljnije u i na tr te u skorije vreme. Slika levo: Vilju kar na gorivne elije u upotrebi.
Slika dole: Bus za prevoz putnioka na aeredromu, na g. .
Slika levo: “Ekolo ki” autobus na gorivne elije na ulicama Londona.
2
Gorivne elije slu e kao glavni generator elektri ne energije za pokretanje i raznih drugih sredstava, po ev od podmornica, lokomotiva, malih putni kih aviona, pa sve do upotrebe u NASA-inom svemirskom programu gde se pored osnovne namene (generisanja struje celokupnoj letelici) koriste i za dobijanje toplote i pija e vode u space shuttl-u.
Slika: U-31 je prva od etiri podmornice klase 212 A nema ke mornarice koja radi na gorinve elije.
Slika: Lokomotiva na gorivne elije.
Slika: Gorivne elije obezbe uju struju za celokupan atl.
Slika: Avion na gorivne elije.
Gorivne elije su na le primenu i u hitnoj potrebi elektronske industrije prenosivih ure jaja, koja vapi za potrebom pove anja kapaciteta njihovih sistema napajanja. U tu svrhu njihove mogu nosti su velike; odlikuju ih jako male dimenzije sa veoma uve anom snagom, pove anim vremenom trajanja i vrlo brzim ponovnim dopunjavanjem (goriva). Jednostavno se ili promeni kertrid ili samo dopuni gorivo (etanol), za razliku od par asovnog punjenja klasi nih baterija.
Slike: Neki prenosivi ure aji na gorivne elije koji pretvaraju etanol (supstancu bogatu vodonikom) u struju.
3
Slika: Hitachi PDA na gorivne elije.
Slika: Panasonic-ov laptop na baterije sa gorivnim elijama koji mo e neprekidno da radi i do 20sati.
Vodoni ne baterije prenosivih ure aja imaju mnogo du e vreme trajanja (ve i kapacitet) posmatrano u odnosu na istu masu konvencionalnih baterija. U kontekstu prenosivih ure aja rast potencijala gorivnih elija na tr tu je veoma realan, i ve se predvi a u medijima i raznim analizama da e gorivne elije u budu nosti uzdrmati globalnu ekonomiju. Ina e ve su bilioni dolara godi nje investirani u njihov razvoj, i tehni ki dokazan produkt je blizu, posebno u ovom sektoru (sektoru portabl ure aja), kao i u vojnom sektoru.
* Predvi anje daljeg razvoja. ndustrija gorivnih elija se trenutno suo ava sa brojnim problemima i barijerama u komercijalizaciji. Mnoge od njih su rezultat kori enja platine i drugih skupih plemenitih metala kao katalizatora u njima, i posledica su njihove velike cene, oskudice, i nekih lo ih osobina goriva koje one koriste. Ograni enja budu eg snabdevanja platinom mo e imati negativne ekonomske posedice: to se vi e gorivnih elija bude proizvodilo, platina mo e biti sve skuplja. Sa druge strane tehnologija radi na pronala enju materijala koji ne e biti toliko skupi , a ima e pribli no sli ne, ako ne i iste karakteristike kao platina, i u tom domenu postoji ve dosta razli itih re enja. to se ti e goriva koje koriste gorivne elije sa platinom kao katalizatorom osnovni problem je to to je vodonik dosta neefikasan za transport, skladi tenje i distribuciju s obzirom na njegovo prirodno gasno stanje. Prema scenariju US department-a of energy koji se ti e upotrebe vodoni nog goriva, prava era vodonika bi zapo ela 2024 godine.
Razvoj
Prenos na tr
te
irenje na tr
t
Realizacija H 2 ekonomije
Slika: Planiranji razvoj kori US Department of Energy.
enja gorivnih elija koji je predstavio
4
Globalne potrebe za energijom (in petawatt hours)
Globalni energetski problemi. Ve ina zemalja irom sveta suo e se sa ozbiljnim nedostacima energije u bliskoj budu nosti. Velika potro nja i porast broja stanovnika u svetu primora e stanovnike velikog broja zemalja da se suo e sa problemom kriti nog smanjenja zaliha doma ih fosilnih energetskih izvora.
Globalna potreba za energijom
Zahtev za proizvodnjom energije Zalihe efosilnih goriva
Slika: Globalne potrebe za energijom.
Slika: Prikaz rasta svetske populacije po godinama i procena do 2025.
Biliona barela godi nje
Trenutna energetska zavisnost ve ine zemalja od nafte i njenih derivata zahteva znatne ekonomske izdatke, i u budu nosti nagove tava negativne efekte na nacionalne ekonomije, kao i na me unarodnu bezbednosnu situaciju. Prema podacima naftnih kompanija i prema drugim nacionalnim statisti kim podacima ukupna svetska potro nja nafte iznosi skoro 4 milijarde tona godi nje, dok su ukupne rezerve oko 120-160 milijardi tona.
0
Slika: Stanje i predvi anja proizvodnje gasa i nafte odre enih delova sveta.
Prerada nafte e dosti i vrhunac izme u 2005 i 2008 godine i uzimaju i u obzir ograni enost zaliha, sada nje kori enje fosilnih i nuklearnih goriva ne e mo i da obezbedi dugotrajno snabdevanje i odr ivi razvoj. Zalihe fosilnih goriva brzo nestaju, a u roku od jedne ili dve decenije ve ina zemalja e biti primorana da koristi obnovljive izvore energije za podmirivanje svojih energetskih potreba. Svakako razvoj novih tehnologija za eksploataciju nafte i uglja je izvestan, ali uz pove anje ekolo kih, energetskih i ekonomskih izdataka koji e neminovno usloviti neprofitabilnost njihovog budu eg kori enja. Usled koncentracije energetskih resursa u samo nekoliko oblasti u svetu, kori enje fosilnih goriva stvorilo je 5
sistem me uzavisnosti, tako da se dr ave koje zavise od uvoza fosilnih goriva nalaze u podre enim polo ajima. Sa druge strane, rezultat ovakve situacije je ne samo koncentracija energetske ekonomije, ve konstantno pove anje cena energetske infrastrukture i pove anje trgovinskog debalansa. Zemlje izvoznice baziraju svoju ekonomiju isklju ivo na izvozu energetskih sirovina to dovodi do politi ke, ekonomske i socijalne nestabilnosti. Ra ireno kori enje nuklearnih i fosilnih energetskih sirovina ugro ava ljudsku egzistenciju, jer ima direktan negativan uticaj na zdravlje ljudi. Predvi ene klimatske promene, mogu nost nuklearne kontaminacije i nere eni problemi vezani za proizvodnju plutonijuma u Slika: Nuklearna centrala nuklearnim reaktorima stvaraju dodatne probleme i Cattenom. opasnosti.
Srednja globalna temperatura u ºC
Danas uglavnom stanovni tvo siroma nih zemalja najvi e ose a negativne posledice kori enja neobnovljivih izvora energije, iako ne postoje ni tehnolo ki ni fizi ki razlozi za odr anje trenutnog stanja. Prirodni i tehni ki potencijal obnovljivih izvora energije dovoljan je da zadovolji sveukupne energetske zahteve svetske populacije jer je njihov prirodni dnevni potencijal 20.000 puta ve i od dnevne potro nje nuklearnih i fosilnih goriva. Kako se radi o relativno mladim tehnologijama, postoji ogroman potencijal za njihova dalja tehnolo ka usavr avanja i nove primene. Me utim industrija bazirana na fosilnim gorivima, a naro ito nuklearni energetski sektor, jo uvek dobijaju deset puta ve e dr avne subvencije za istra ivanje i razvoj od tehnologija obnovljivih izvora energije. U industrijalizovanim
Procena godi njeg porasta globalne temperature
Slika: Jedan od zaga iva a i uzro nika globalnog zagrevanja.
zemljama samo 7% od ukupnog fonda za istra ivanje i razvoj odvaja se na obnovljive izvore energije u pore enju sa 70% za istra ivanje i razvoj nuklearnih i drugih tehnologija. Jasno je da se kori enju obnovljivih izvora energije mora dati najve i politi ki i ekonomski prioritet, kako bi se izvr ila preorijentacija ka ovim izvorima energije i njihovom tehnolo kom razvoju. Sagorevanje fosilnih goriva, naro ito onih baziranih na nafti i uglju, predstavlja najverovatniji uzrok globalnom zagrevanju, tj. stvaranju tzv. efekta staklene ba te. Promena klimatskih uslova predstavlja jednu od najozbiljnijih opasnosti za zemljin ekolo ki sistem zbog mogu eg uticaja na proizvodnju hrane i klju ne procese koji stvaraju produktivnu prirodnu okolinu. Zabrinjavaju i porast emisije ugljen dioksida u atmosferu, izme u ostalih faktora, mo e da dovede do smanjenja zavisnosti od upotrebe uglja i ohrabri razvoj i kori enje obnovljivih energetskih tehnologija. Iako je upotreba fosilnih goriva po glavi stanovnika smanjena usled 6
mera o uvanja prirodnih resursa, porast populacije u svetu dovodi do br eg smanjenja zaliha fosilnih goriva i pove anja globalnog zagrevanja. Tako e je zbog istih razloga procena trenutne energetske situacije u svetu ne adekvatna, odnosno zalihe fosilnih goriva su verovatno precenjene. S obzirom na sve navedene globalne probleme, alternativni izvori energije predstavljaju ne samo alternativu u skorijoj budu nosti, ve i sasvim realnu potrebu bez koje sigurno ne e mo i da se ispune norme koje name e moderan na in ivota.
Slika: Alternativni izvori energije: energija gorivnih elija, vetrogeneratori, solarni sistemi.
Obnovljivi i neobnovljivi alternativni izvori energije. Alternativne izvore energije predstavljaju sun eva energija, energija vetra, kori enje bio goriva, tehnologija gorivnih elija i druge. Ve ina ovih izvora energije su distribuirani energetski izvori niske snage, to podrazumeva da elektrane koje koriste obnovljive izvore mogu da proizvedu uglavnom do nekoliko desetina megavata elektri ne snage (velike termoelektrane ili nuklearne elektrane mogu da proizvedu vi e od 2.000 MW). Svakako, mnogi od alternativnih izvora energije mogu se Slika: Solarni sistem na krovu zgrade. koristiti i za izgradnju generatora velike snage. Od velike va nosti je to su generatori pokretani obnovljivim izvorima energije ekolo ki ne kodljivi. Na primer, mogu e je postaviti solarne fotonaponske generatore na veliki broj krovnih konstrukcija, ali je sasvim izvesno da velika ve ina ljudi ne bi dozvolila izgradnju termoelektrane ili nuklearne elektrane u njihovom bliskom okru enju. Sa druge strane, relativno niska snaga, vi a cena i povremeno isprekidan rad predstavljaju nedostatke generatora pokretanih obnovljivim izvorima energije, te ekspanzija njihovog kori enja zahteva inovativne ideje kojima bi se prevazi li ovi nedostaci. Hibridni sistem koji obuhvata solarne fotonaponske module, vetar i gorivne elije, kompenzovao bi nedostatke generatora isklju ivo na vetar ili sunce, jer oni ne rade kontinualno. Svakako postoji veliki broj na ina da se moderne tehnologije iskoriste u cilju eksploatacije obnovljivih i alternativnih izvora energije. Na primer, satelitski snimci se mogu koristitii za predvi anje kretanja oblaka i vetra pru aju i na taj na in zna ajnu informaciju za funkcionisanje i prora un solarnih ili vetro generatora, kao i hidro elektrana. Dakle, tehnologije obnovljivih izvora energije sve vi e ulazi u globalnu upotrebu. I pored raznih prednosti kao to je npr. ekolo ki karakter ona omogu ava i nove izazovne nau no istra iva ke projekte, kao i otvaranje novih radnih mesta za nau nike i in enjere. 7
ISTORIJA GORIVNIH
ELIJA
1800-te godine britanski nau nici William Nicholson i Anthony Carlisle opisali su proces razlaganja vode na vodonik i kiseonik – tj. elektrolizu. 1839. Britanski nau nik William Grove je otkrio da je mogu e napraviti struju obrnutim procesom od procesa elektrolize. Kombinuju i metalne elektrode i te nu kiselinu iz baterija unutar vi e staklenih tuba on je bio u mogu nosti da generi e struju od 12A i 1.8V, koja je bila dovoljna da demonstrira osnovni princip rada gorivne elije, ali nedovoljna da slu i za bilo kakve prakti ne primene.
Slika: Originalni crte
etiri gorinve elije sa te nom kiselinom britanskog nau nika Williama Grove-a
Pola veka kasnije,1889. dva nau nika, Charles Langer i Ludwig Mond poku ali su da projektuju prvi prakti ni sistem za dobijanje struje na ovaj na in, i nazvali su ga gorivna elija. U ranim 1890-tim oni su razvili gorivnu eliju koja je transformisala ugalj ili karbon sa jedne strane, i vazduh sa druge, u elektri nu energiju, a kao katalizator koristili su Platinu. Ovo je bila prva gorivna elija sa vrstim elektrolitom.
Sika: ema gorivne elije koju su konstruisali Ludwig Mond i Charles Langer
Odprilike u isto vreme C.Wright i C.Thompson su konstuisali sli nu gorivnu eliju, koja kako su navodili mogla da radi u labaratoriji i daje malu koli inu struje, ali za prakti nu upotrebu ona je bila i suvi e skupa. Narednih 60 godina konstrujisan je ve i broj razli itith gorivnih elija, ali sve do ’50 one tako e nisu nalazile nikakvu prakti nu primenu. 8
1932. godine Francis Thomas Bacon pravi svoju prvu gorivnu eliju sa alkalnim elektrolitom, a 1939. konstrui e eliju koriste i elektrode od nikla. Kao elektrolit koristio je alkoholnu smesu, a kao gorivo za elektrode isti vodonik i kiseonik. 1959 uspe no konstruji e gorivnu eliju od 5kW i sa svojim saradnicima demonstrira njenu primenu za lu no zavarivanje.
Francis Bacon i njegova 5 kW gorivna elija
Prvo vozilo na gorivne elije, traktor Harry Ihriga
Iste godine (1959) Harry Ihrig izla e svoj traktor na gorivne elije snage 20 konjskih snaga, i to je prvo vozilo ikada napravljano koje koristi gorivne elije za napajnje elektri nog motora koji pogoni vozilo. Ova visoko efikasna tehnologija pravu prakti nu promenu imala je u svemirskom programu “Apolo”, gde su odba eni nuklearni reaktori, baterije i solarni sistem ili kao suvi e rizi na ili kao suvi e te ka re enja, i kori ena tehnologija alkalnih gorivnih elija. NASA je izabrala gorivne elije iz prakti nih razloga, kompaktne su za razliku od baterija i solarnih plo a, i jo pored struje proizvode vodu i toplotu to je neophodno za opstanak astronauta u svemiru.
Sika gore: Gorivne elije su kori ene u svemirskom programu Apolo.
Tako e NASA je u svem. kapsuli Gemini koristila gorivne elije General Electrica sa elektrolitom na bazi taflona i impregniranom kiselinom, to predstavlja prete u prvih PEM gorivnih elija.
Slike 1, 2: NASINA svemirska letelica iz programa Gemini koristila je gorivne elije kako za generisanje elektri ne energije tako i za dobijanje iste pija e vode i toplote.
Slika3: Plasti na membrana kori ena u gorivnim elijama
9
Tako e svemirski program je pokazao da gorivne elije mogu biti korisne u raznim vrstama vozila. Projekti iz 1960. od strane General Motorsa, Shell Oil-a, Union Carbide-a i Ameri ke vojske pokazali su da gorivne elije mogu da se koriste i u svakodnevnim vozilima, ali ipak s obziirom da proizvode suvi e malo snage za njihovu veli inu i da im je cena velika, jo uvek ne mogu da budu alternativa vozilima koja imaju motore sa unutra nim sagorevanjem. Tako e u to vreme u svetu nije postojala potreba za drugim alternativama, jer nafta je bila jeftina i nije se obra ala pa nja na zaga enje sredine.
General Motors putni ki kombi na gorivne elije
Union Carbide-nov motorcikl na FC
Shall-ov putni ki automobil na gorivne elije iz `60
Vilju kar na gorivne elije Ameri ke vojske
U ranim ’70 interes za naftu i okru enje je po eo da se menja. Nova agencija za za titu sredine opomenula je automobilske kompanije da zaga enje izduvnim gasovima postaje veliki problem, i da e zahtevati njegovu zna ajnu redukciju u vozilima. Kriza nafte 1973 stavila je javnosti do znanja da konvencionalni izvori energije nisu ve ni, i da e cena nafte stalno rasti. Tada je po prvi put javno mnjenje po elo da razmi lja o konceptu kori enja alternativne energije. Tokom ’80 ih mnoge nove efikasne alternativne tehnologije dobijanja elektri ne energije su po ele da se koriste, ali tehnologija gorivnih elija nije bila me u njima. Cena nafte se stabilizovala, i automobilske komapanije su u inile zna ajnu redukciju u emisiji tetnih gasova, tako da je u automobliskoj industriji bilo jako malo razmi ljanja o novim vrstama izvora energije. U isto vreme niko se nije bavio nekim tehni im problemima koji su ostali nere eni jo kod ranijih projekata gorivnih elija, pa je to ostala i dalje neprakti na tehnologija nevidljiva za javnost.
10
Gorivne elije su ponovo isplivale na svetsku pozornicu 1993. godine kada je Kanadska kompanija “Ballard Power System” predstavila i demonstrirala putni ki autobus napajan novim sistemom gorivnih elija. Autobus je pokazao mnoga zna ajna tehni ka dostignu a, kao to je naprimer ve u gustinu snage, iskoristljivost, itd. Ali njegovo najve e dostignu e bilo je to to je u inio gorivne elije vidljivim i razumljivim za svetsku javnost, vlade zemalja irom svet i uop te globalnu industriju koja je imala velikih problema sa zaga ivnjem okoline. Od onda tehnologija gorivnih elija je eksponencijalno po la da se razvija, i skoro sve ve e automobilske kompanije su za kratko vreme razvile prototipove vozila baziranih na Ballardoviom usavr enju stekova gorivnih elija.
Slika: Ballard-ov autobus na gorivne elije, koji je 1993. ponovo vratio pa u na ovu vrstu tehnologije (tehnologiju gorivnih elija).
Mada su automobili na gorivne elije jo decenijama daleko od zauzmanja pravog mesta na globalnom automobilskom tr tu, motori na gorivne elije nekih drugih vozila kao to su vilju kari, pomo na vozila na aerodromima, itd, se o ekuju da u u na tr te u skorije vreme. ekuje se da e vodonik skladi ten u pakovanja Hydricity® zameniti na tr tu trenutno najzastupljnije baterije na kiselinu u industrijskim vozilima 2007 godine.
General Hydrogen's Hydricity® Packs i Hydricity® gorivni sistemi
11
Elektrto-hemijski aspekt gorivnih elija Gorivna elija predstavlja elektrohemiski generator u kojem se odigrava direktna konverzija energije oslobo ne u hemijskoj reakciji izme u gorivnih medijuma, obi no vodonika (danas i mnogih drugih jedinjenja) i kiseonika (re e isog, obi no uzetog iz vazduha), u elektri nu energiju i toplotu. Su tinsku strukturu svake gorivne elije ine dve elktrode ANODA i KATODA na kojima se odigravaju respektivo reakcije redukcije i oksidacije elektrolita (nepropusne membrane) koja omogu avaju i kretanje jona zatvara elektri no kolo i uspostavlja struju. Radi jednostavnosti posmatra emo gorivnu eliju koja radi sa istim vodonikom i kiseonikom. vodonik Bipolar plate
kiseonik
Bipolar plate
Gasno difuzioni sloj sa katalizatorom Membr ana (Toplota ) Slika: Princin rada gorivne elije (radi preglednost komponente su horizontalno razmaknute)
U unutra njosti gorivne elije atomi vodonika u interakciji sa anodom (ta nije katalizatorom) gube elektrone i postaju pozitivni joni H+ (proces oksidacije).Oni napu taju elektrodu i kre i se kroz elektrolit idu ka katodi. Istovremeno oslobo eni elktroni se gomilaju na krajevima anode zbog ega ona postaje negativno naelektrisana na svojim izlaznim kontaktima. Kada se zatvori elektri no kolo preko nekog potro a, na katodi molekuli kiseonika zahvatju elektrone koji pristi u sa anode vr i redukciju, odlaze od elektrode u formi jona -O- kroz elektrolit i rekombinuju se sa pristiglim jonima H+ grade i vodu. Na taj na in katoda na svojim izlaznim kontaktima postaje negativno naelektrisana, i zahvaljuju i razlici potencijala izme u oba izvoda elektroda uspostavlja se elektri an struja u kolu.
12
Elektrolit (membrana kod PE g. .) sa svoje strane omogu ava jonsku struju kako pozitivnih vodonikovih, tako i negativnih kiseonikovih jona, spre avaju i jedino prolaz elektrona. U zavisnosti od tehnologije gorivnih elija voda se mo e stvarati kako na katodi, tako i na anodi. Tako e neke elije proizvode i gasove ugljen-monoksid i ugljen-dioksid.
Slika desno: Gorivna elija rastavljena na delove. Slika: Mikroskopski snimak preseka elektrode.
Elektrode gorivnih elija su napravljenje od ugljeni nih vlakana na ije zidove je raspr en katalizator (obi no platina) koji ima ulogu ubrziva a procesa. Elektrode su mikroskopski gledano izbrazdane, tj. na sebi imaju veliki broj pora radi pove anja njihove povr ine. Vodonik i kiseonik neprestano obla u respektivno anodu i katodu sa suprotnih strana elektrolita (propusne membrane) zahvaljuju i izbrazdanim plo ama bipolar plates, koje obezbe uju njihovo strujanje uz elektrode.
Slika: Gorivna elija manjih snaga sa izvodima
Za rad gorivnih elija je obavezan izotermni re im, pa se njihova temperatura mora odr avati konstantnom. To se posti e sistemom za hla enje koji odvodi suvi nu toplotnu energiju obezbe uju i tako i proces kogeneracije1. Gorivne elije bazirane na niskim radnim temperaturama imaju i nisku reaktivnost u esnika u reakciji, zbog ega je kod njih obavezno prisutan katalizator (neki plemeniti metali i druga jedinjenja) koji izuzetno inteziviraju reakciju.
Slika1: Bipolar plates, plo e koje obezbe uju strujanje vodonika i kiseonika uz elektrode
Slike 2 i 3: Neki oblici elektroda sa platinom
Gorivne elije imaju jako sli nu, tavi e skoro identi nu strukturu kao baterije, s tim to se kod njih aktivna materija neprekidno obnavlja i na taj na in je proizvodnja elektri ne energije kontinualna, dok god traje dotok goriva i oksidansa. Tako e poslednjih godina g. . su dale povoda da se preko “izvedene tehnologije” koriste i polimernu protonsku membranu realizuju baterijski sistemi za skladi tenje i peglanje pikova u distribuciji elektri ne energije kapaciteta vi e stotina MWh i efektivnih snaga i do 250 MW. 1
kori enje oslobo ne toplote prilikom generisanja struje.
13
Mo e se jo re i da je efikasnost jedne elije direktno vezana za stepen iskori enja reagenata. Tako se defini e stepen iskori enja (upotrebe) goriva, naprimer vodonika preko de avanja na ulazu i izlazu.
UH2 =
H 2in − H 2 out H 2 consum = H 2 in H 2 in
,
, gde je U H 2 stepen iskori enja (upotrebe) goriva, H 2 in protok vodonika kroz ulazni terminal, H 2 out protok vodonika kroz izlazni terminal.
GORIVNA ELIJA
(ugalvnom) Iz vazduha
GORIVO
KATODA - KATALIZATOR
ANODA KATALIZATOR
Neiskori eni VODONIK
Polimerna Elektrolitska Membrana
VODA
Neiskori eni KISEONIK
Slika: Prikaz transformacija reagenata ( H 2 i O2) i njihovih kretanja u gorivnoj eliji
Treba imati u vidu da gorivni medijum mo e biti potro en i derektno prolazkom kroz membranu, tj. crossover efektom, ili kroz mehani ke gubitke sistema (izolacija, dihtovanje, itd). Membrana ina e treba da bude propusna za jone a nepropusna za gorivo, ali usled njene nesavr enosti ona gorivo delom propu ta bez prethodnog razlaganja na jone, koje onda pri prelasku na drugu stranu direktno reaguje sa kiseonikom i stvara vodu. Ovaj ne eljeni efekat tro enja goriva sa naziva crossover efekat, i on zavisi od tehnolo kih karakeristika matrijala membrane. Poslednjih godina on je znatno potisnut kori enjem specijalno patentiranog materijala za membrane Naifon ®-a, kao i jo nekim drugim tehnolo kim postupcima.
14
Termodinamika gorivnih elija Ovde e biti obja njenji termodinami ki procesi PEM gorivnih elija. Za druge tipove proces je ne to malo druga iji, ali principijalno isti. Osnovna funkcija gorivnih elija sa membranom na bazi polimera (kao i drugih tipova gorivnih elija) bazira se na hemijskom procesu oksidacije i redukcije. Spontana reakcija oksido-redukcije ostvaruje se prelaskom elektrona iz jednog hemijskog jedinjenja u drugo. Ako elektroni (iz vodonika) umesto da pre u direktno u jedinjenje koje treba redukovati (kiseonik), budu prinu eni da idu putem spolja njeg provodnika, uspostavi e se strujno kolo i izvr iti odre eni rad. Na ovaj na in energija proistekla iz hemijske reakcije, odnosno energija izme u po etnog sanja reagenata (u ovom slu aju vodonika i kiseonika) i zavr nog stanja (vode), biva transformisana u elektri nu energiju. Da bi se otkrila priroda te energije, i shodno tome koli inu rada koju je mogu e realizovati polazi se od definicije slobodne energije (po Gibbs-u). U gorivnoj eliji je izvr ena transformacija slobone energije u elektri ni rad. Eeff = n ⋅ F ⋅ Eeff = −∆G
, gde je n broj ekvivalnetnih molova elektrona koji u estvuju u globalnoj reakciji (broj molova elektrona za broj molova vodonika u PEM je 2), F je Faradejeva konstanta (96.487 C/molu), Eeff elektromotorna sila na terminalima gorivne elije i G je varijacija slobodne energije. Dalje je: ∆G = ∆H − T ⋅ ∆S Ovo va i na pritisku od 1atm i jedini nim koncentracijama regenata. Za jednu PEM gorivnu eliju napajanu sa vodonikom i kiseonikom koja proizvodi vodu u te nom stanju, usvajaju i reakciju reverzibilnom se dobija:
∆G = ∆H − T ⋅ ∆S = −285800
J J J − (298K ) ⋅ − 163.2 = −237200 mol mol ⋅ K mol
Pa je maksimalna mogu a razlika na terminalima:
E rev
J 237200 mol = 1.229V = − − C 2.96487 mol
, i va i uz uslov da je elektri no kolo otvoreno (I=0). Kada se u kolu uspostavi struja u sistemu se javljaju fenomeni polarizacije (kontra e.m.s.) koji dovode do pove anja temperature (toplotni gubici) i shodono tome smanjuje se i efektivna razlika potencijala na terminalima gorivne elije. U realnom slu aju pritisak i koncentracija nemaju vi e standardne vrednosti, pa se izlazna e.m.s. menja po zakonu Nernst-a: E = E0 −
R ⋅ T 1 ln 2 ⋅ F [H 2 ] ⋅ [O2 ]
15
Koje efekte izaziva promena pritiska i temperature vide e se ako se izvr i analiza varijacije slobodne energije Gibss-a variraju i temperaturu i pritisak:
− ∆V ∆S ∂E ∂E ⋅ e = = ∂T P n ⋅ F ∂P T n ⋅ F , gde je n i dalje broj molova za PEM gorivne elije, i ima vrednost 2; V je zapremina. Ako po emo od pretpostavke da je finalni proizvod reakcije voda u te nom stanju, i da je entropija u reakciji izme u vodonika i kiseonika negativna dobijamo da reverzibilni potencijal elije opada sa porastom temperature za pribli no 0.84mV/C. Za istu reakciju promena zapremine je negativna, pa se dobija da sa porastom pritiska raste i reverzibilni potencijal elije. Sa druge strane porast temperature popravlja osobine elije, pove ava brzinu reakcije, smanjuje omsku polarizaciju, popravlja provodnost elektrolita– membrane, pove ava fenomene transfera kroz PEM i pove ava toleranciju na primese. Opet, podizanjem radne temperature pove avaju se problemi korozije, degradiraju se elektrode i nestaje elektrolit usled isparavanja. Visoki pritisak stvara probleme materijalima od kojih je napravljana elija, to zahteva u kontrolu zaptivanja i kvalitetniju konstrukciju. Faradejev zakon elektrolize glasi: Masa supstance proizvedene ili potro ene od jedne elektrode proporcionalna je elektri nom protoku kroz eliju. Ekvivalentne mase razli itih supstanci bi e proizvedene ili potro ene od jedne elektrode pri protoku unapred definisanog elektri nog punjenja kroz eliju. Primenjeno na slu aj PEM gorivnih elija lako se dolazi do relacije koja odre uje eletri nu struju i koli inu potro enog vodonika u adekvatnoj reakciji: C I ⋅ A = s mol = FH 2 s 2⋅ F C mol , gde je FH 2 molarni protok vodonika, F faradejeva konstanta (96.487 C/molu). Dvojka proizilazi iz injenice da se pri redukciji svakog mola vodonika osloba aju po 2 elektrona.
*
16
Elektri ne karakteristike gorivnih elija Efektivna vrednost e.m.s. po formuli iz prethodnog odeljka je samo teorijska vrednost. Svaka elija ponaosob pona a se prema sopstvenoj kompoziciji i strukturi odre uju i sopstvenu zavisnost izme u njenog napona i gustine struje. Kada se posmatra PEM gorivna fenomena:
elija, padovi napona u njoj su posledica slede ih
•
Ograni enja kinetike pristupa katodi, koja izaziva velike padove napona posebno u oblastima sa manjom gustinom struje (nezavisno da li se na katodi privodi ist kiseonik ili vazduh).
•
Ograni enja kinetike pristupa anodi, koje izaziva padove napona linearno srazmerne gustini struje. Usled pove ane elektro-oksidacije vodonika, pove ava se gustina struje a napon se smanjuje.
•
Ograni ene protonske provodnosti u sloju katalizatora i membrane (elektrolitu). U slu aju katode (strane sa koje se dovodi kiseonik) omski gubici u membrani predstavljaju najve i udeo u ukupnim gubicima u oblasti iskoristivih gustina struje.
•
Ograni enja transporta masa na katodi, koji je izra en pogotovo ako se radi sa vazduhom. On izaziva brz pad izlaznog napona elije sa porastom gustine struje. Ovi limiti u difuziji izazivaju pseudootporni ke efekte za niske nivoe struja, a mogu izazvati i velika smanjenja ukupne struje u kolu, kod gustina struje visokih intenziteta.
•
Usled “potapanja” katode, kada se voda proizvedena u reakciji ne odvodi efikasno iz elije. Dolazi do nagomilavanja vode na elektrodi, i time se sve manje iskori ava kiseonik na njoj. Ovaj fenomen se ispoljava tipi no kod primene istog kiseonika jer se tada posti u ekstremne gustine struja, koje su nemogu e ako je oksidans vazduh.
Evidentno je da skup svih problema na katodi uzrokuje najve e gubitke u padovima e.m.s., dok su omski gubici usled otpora membrane dosta smanjeni zbog kori enja ekstremno tankih folija NAFIONA i drugih tehnolo ki pobolj anih eketrolita. Katodina kinetika (detalji dati Buthler Volmer-ovom jedna inom) demonstrira se pod predpostavkom da su gubici na anodi zanemarljivi. Struja proistekla iz elektrohemijske reakcije zavisi ne samo od koncentracije reagenata, ve i od razlike potencijala izme u katalizatora i elektrolita.
17
1.4
rezerni napon elije Er=Eeff
1.2
omska oblast polarizacije
e.m.s. (V)
1 0.8
ukupni gubici
0.6 0.4
polarizacija aktiviranja
polarizacija koncentracije
0.2 0 0
0.5
1 2 Gustina struje (A/cm )
1.5
Grafik: Radna karakteristika PEM gorivnih elija
Uop teno geldaj i, za PEM gorivne elije postoji tri vrste fenomena polarizacije, polarizacija aktiviranja, omska polarizacija i polarizacija koncentracije. Polarizacija aktiviranja (starta reakcije). Da bi jedna hemijska reakcija uop te mogla da startuje porebno je da se savlada energetski prag, tj. tzv energija aktiviranja. Polarizacija aktiviranja vezana je za brzinu hemijske reakcije i predstavlja potencijalnu razliku koju treba prevazi i da bi reakcija i la eljenom brzinom. U slu aju elektrohemijske reakcije njen iznos u voltima je: η act = 50 − 100mV Ova potencijalna razlika definisana je Tafel-ovom jedna inom:
η act = , gde
i RT ln 0 αnF i
koeficijent transfera elekt. naelektrisanja, io gustina struje razmene.
Omska polarizacija. Ovaj tip polarizacije predstavlja pad napona usled omskih gubitaka u sistemu. Ovde gubitke proizvode otpornosti elektroda koje se suprotstavljaju kretanju elektronakroz njih. Tako e sa druge strane materijal elektrolita (membrane) se suprotstavlja kretanju jona kroz njega. Kako prete u gubici u elektrolitu vidi se za to se lo na primenu ekstremno tankih protonskih membrana, a koje su jo mogle da garantuju zaptivenost i neme anje regenata. Gubici usled omske polarizacije izra avaju se relacijom: η act = iR , gde je i ukupna struja uspostavljanja u elektri nom kolu, R ukupna unutra nja otpornost elije. Polarizacija koncentracije. Ova polarizacija vezana je za fenomene transporta masa koji inhibiraju reakcije na elektrodama, i proisti e iz neadekvatne brzine pristizanja reagenata sa jedne, i osloba anja od proizvoda reakcije u odnosu na zahteve za gustinom struje koju treba elija da isporu i potro u sa druge strane. Polarizacija kojncentracije defini e se jedna inom: 18
RT i ln1 − nF i L , gde je iL minimalna struja koja se posti e kada radni gasovi sadr e veoma malu koncentraciju reagenata. η act =
Svi tipovi polarizacije odvijaju se i na anodi i na katodi, a efekat je takav da polarizacija podi e napon na elektrodi na kojoj se odvija reakcija oksidacije (anodi), a smanjuje ga na elektrodi na kojoj se odvija reakcija redukcije (katoda), pa va i slede e: Van = Ean + |
an|,
Vka = Eka - |
ka|
,gde an i ka predstavljaju sume polarizacija aktiviranja i koncentracije ispoljene na obe elektrode. Kona no se dobija za razliku potencijala na izlaznim prikljucima gorivne elije: V = Vka - Van – Ri = E –
konc
–
om
-
akt
Udaljavanjem od idealnih, teoriskih uslova eksplatacije sa nazna enim oblastima deistva polarizacionih kontra e.m.s. prikazani su na tipi oj radnoj karakteristici napon-gustina struje (grafik sa prethodne strane).
Gustina snaga
Koriste i vrednosti familije ta aka U-I grafika dobija se druga va na karakteristika: zavisnost gustine elektri ne snage u funkciji gustine struje.
Idealno pona anje, rezistivna oblast
Maksimalna snaga Pmax omska oblast polarizacije polarizacija koncentracije
polarizacija __________aktiviranja 2
Gustina struje (A/cm ) Grafik: Zavisnost gustine snage od gustine struje gorivnih elija
Iz ovih karakteristika se vidi da je obavezan rad gorivne elije u centralnoj linearnoj oblasti karakteristike (U-I), gde se elija pona a kao ista otpornost. Polaze i od teoriske vrednosti e.m.s. koja je jednaka Erezerno=Er, mo e se pribli na realna vrednost na izlaznim terminalima izraziti kao (pri radu u omskoj oblasti): E = Er - RI pa je elektri na snaga koju elija mo e da preuzme iz sistema: Pele = ErI –RI2
19
Odavde se mo e izra unati radna ta ka u kojoj je snaga maksimalna, kao i uslovi za koju struju i napon se dobija najve a snaga. 2 Er E E Pelk . max = za slede e vrednosti struje i napona: I = r i E = r 4R 2R 2 Tako e i elektrohemijska efikasnost opada zato to gorivna elija pod optere enjem pokazuje manju gustinu snage zbog efekata polarizacije koji se pove avaju sa porastom gustine struje. Koeficijent korisnog deistva elektrohemijske reakcije (naponski koeficijent) defini e se kao odnos napona neoptere ene elije i elije sa optere enjem: V ηV = E rev Kompletna efikasnost gorivne elije sa protonskom membranom, pa i drugih tipova gorivnih elija odre ena je odnosom izme u elektri ne energije na izlazu i energije oslobo ene hemijskom reakcijom. η gc = η t ∗ η v ∗ η c Termodonami ka efikasnost ra una se pod pretpostavkom da se sva elektrohemijska energija pretvara u elektri nu, ili se ra una preko odnosa slobodne energije i varijacije entalpije: ∆G ηT = ∆H Iznos ovog koeficijenta korisnog deistva zavisi od stanja unutra njih reakcija u gorivnoj eliji kao i od projektovane temperature. U idealnom slu aju kada ist vodonik reaguje sa istim kiseonikom posti e se vrednost od 83% (pri standardnim vrednostima pritiska i temperature 25ºC, 1 atm). Ona opada sa porastom temperature i stabilizuje se na vrednosti od 78% na 100 ºC, to je izazvano porastom entropije. Koeficijent iskori enja goriva predstavlja odnos izme u totalne koli ine reagenata uba enih u sistem i finalnih proizvoda reakcije. Ustvari to je odnos izme u struje koju elija stvarno daje u sistem (Icons) i struje koju bi elija generisala ako bi elektrohemijska konverzija bila kompletna (Im):
ηc =
I cons dn dn , gde se Im ra una po faradejevom zakonu: I m = e ⋅ F = 2 ⋅ H 2 ⋅ F Im dt dt
, gde je ne broj ekvivalentnih molova elektrona u esnika u globalnoj reakciji, nH2 broj molova vodonika prispelog u eliju, I struja, F Faradejeva konstanta (96487 C/molu). Kona no vrednost za aktuelnu struju kroz kolo je: dn dn I = e ⋅ F = 2 ⋅ H2 ⋅ F dt cons dt cons Najbolju efikasnost imaju sistemi koji se napajaju istim vodonikom i direktno idu u mre u preko energetskih pretvara a, ija je efikasnost ina e veoma dobra (postignuti su faktori iskori enja i do 94-98%). Ako je vodonik proizveden po istom postupku (elektrolizom) onda se i sa ekolo ke strane dobija najbolji efekat iskori enja. Posebno interesantna karakteristika u eksplatacijei gorivnih elija jeste nezavisnost efikasnosti od instalisane snage. Ona se nemenja u rasponu KW do MW iznosa, a isto tako odr ava konstantnost u opsegu 30-100% radnog kaoaciteta. 20
Onovni tipovi gorivnih elija PEM Proton Exchange Membrane
PA
MC
SO
Phosphoric Acid
Molten Carbonate
Solid Oxide
KON
Polimerna membrana
Fosforna kiselina
Li, Ka karbonat
Dopirani Zirk.oksid
Radna T
60-120 °C
70-100 °C
160-220 °C
600-650 °C
800-1000 °C
Katalizator
Pt/Pd-Ni
Pt/Ruten
Pt
Ni
Nema
H2, svi industrijski gasovi Kiseonik iz vazduha
H2, gasovi iz reformera
H2, gas iz gasifikacije uglja, ugalj
Kiseonik iz vazduha
Kiseonik iz vazduha
Tip gorivne elije
Alkalne
Elektrolit
Oksidant
ist kiseonik
H2,prirodni gas iz reformera Kiseonik iz vazduha
Elektri na efikasnost
60%
40-60%
40-60%
45-55%
45-60%
Gustina energije(mW/cm2)
300-500
300-900
150-300
150
150-270
Tehnolo ki status
Sistemi 5-80kW
Sistemi 5-250kW
Postrojenja (demo) do 11MW
Postrojenja (demo) do 2MW
Stack 25-220kW
Vrene startovanja
Minuti
Minuti
1-4 asa
5-10 sati
5-10 sati
Kogeneracija, distribuirana elektro energija
Kogeneracija, distribuirana elektro energija
Gorivo
Primena
Limit podno ljivosti ne isto a u gorivu
H2 (99.9%)
Transport, Svemirske Kogeneracija, manji letelice, distribuirana rezidecijalni mobilni elektro generatori sa ure aji, energija transport kogeneratorom 0% CO2, 0% H2S
CO<10ppm
CO<1%vol, 50ppm
Prednosti
Visoka gustina elektri ne snage
Bez problema sa materijalima i korozijom, dobra otpornost na CO2, brz start
Otpornost na CO2, visoka efikasnost u sistemu kogeneracije
Mane
Ne podnosi CO, CO2… Zahteva max ist radni medijum
Problemi sa Co, H2O
Mala tolerancija na CO
H2S <1ppm, HCL<1ppm, NH3<1000ppm Raspola e toplotnom Raspola e toplotnom energijom visoke energijom visoke temperature, visoka temperature, visoka efikasnost,mogu nost efikasnost,mogu nost integralnog integralnog reforminga, netrba reforminga katalizator H2S,COS <1ppm, HCI<1ppm, NH3<1%vol.
Problemi sa stabilno u materijala, dugo vreme startovanja
Materiajli toplotno optere eni, dugo vreme startovanja
Gorivne elije sa protonskom membranom (PEMFC, PEFFC) Princip rada. Ovaj tip gorivnih elija je specifi an, i razlikuje se od ostalih tehnologija. Karakteri e ga posebna vrsta elektrolita, koji je u ovom slu aju ustvari specijalno konstrujisana polimerna membrana – plasti na folija. Ona ima odliku da je za elektrone nepropusna barijera, a za jone maksimalno provodna. Slika levo: Goriva elija sastoji se iz vi e slojeva, posmatrano redom sa leve strane: Okvira za propu tanje vodonika, Pozitivnog bus plate-a, Katode, Protonske membrane (elektrolita), Anode, Negative bus plate-a, Okvira za propu tanje vazduha.
bus plate elektrode vodoni ni okvir
elektrolit
Elektri na struja
Princip rada PEM gorivnih elija je vrlo jednostavan: Kada vodonik do e u kontakt sa platinom na anodi, disocira se na jone H+ i elektrone:
Katoda (+) pgm katalizator
2H2 à 4H+ + 4eJonska membrana je nepropusna za elektrone, a propusna za jone koji nastavljaju da se kre u prema katodi gde se sa prispelim elektronima i vazduhom rekombinuju tako sa se dobija voda: O2 + 4H+ + 4e- à 2H2O
Anoda (-)
Ukupna reakcija u eliji je: H2(g) +
1 O2(g) à H2O(l) 2
TOPLOTA VODA
(g)-gasno stanje (l)-liquid, tj. te no stanje
Slika: Princip rada gorivne elije sa protonskom membranom.
22
Postoji vi e tipova materijala od koji se pravi polimerna membrana, a najzastupljeniji je NAFION. Membrane od nafiona obi no imaju debljinu od 50 do 175 mikrona (50 mikrona je debljina lista hartje), i po to uvek mora biti vla na izgledaju kao mokre filmske trake. Radna temperatura PEM gorivnih elija sa klasi nim polimer elektrolitima je 80 oC , a radi se na materijalima koji e obezbediti radnu temperaturu i do 120 oC, ime e se izbe i veliki problem zaprljanja katalizatora sa odre enim primesama (CO). Obe elektrode su napravljene od ugljeni nih vlakana sa bezbroj upljina, na ijim je zidovima raspr en katalizator - platina (150-250 g/cm2), koja je neophodna za odr avanje dinamike reakcija na elektrodama. Platina je ustvari katalizator koji ubrzava ceo proces. Kriti na je strana sa kiseonikon, jer na 80 oC bez katalizatora redukcija kiseonika bi bila jako usporena, tj. na ovoj temperaturi ne mogu se bez pomo i platine rekombinovati svi elektroni pristigli sa anode. Ina e katalizator (platina) u estvuje u hemijskim transformacijama interaguju i sa reagentima, i stvaraju i kompleksne me uproizvode koji se zatim dekomponuju stvaraju i finalne proizvode. Sam katalizator tom prilikom ostaje netaknut. U prvim elijama platina je u kompletnoj ceni ure aja u estvovla sa 80%, i zato je ona bila izuzetno visoka (1000 € za 1m2 g. elije). Danas se intenzivno radi na pronala enju mnogo jeftinijih i robusnijih me avina, kao to su (italijanska) sintetizovana platina na bazi FeNiCO, koja je nuporedivo jeftinija. Karakteristike gustine snage i gustine struje PEM gorivnih elija. Ako posmatramo spoljnu karakteristiku PEM gorivne elije, vidi se da njen potencijal opada sa pove anjem gustine struje. Posle nekog po etnog naglog pada potencijala, sledi njegova skoro linearna zavisnost. Pove anje njene snage u funkciji od gustine struje je skoro paraboli na zavisnost. Za visoke gustine struje, blizu najve ih gustina snaga, potencijal po inje da opada ne linearno. Potencijal elije i gustina njene snage u funkciji od gustine struje
Potencijal elije Gustina snage
Gustina struje
23
Za protonske membrane je va no da budu vla ne, jer tada one dozvoljavaju jonima H+ da prelaze na drugu stranu. Zato se radna temperatura treba odr avati konstantnom na oko 80oC da nebi doslo do klju anja vode, tj. dehidracije membrane usled isparavanje vode. Popravljanje zaprljanja platine sa CO-om u poslednje vreme ostvaruje se ubacivanjem estica Ruterijuma u zajednici sa platinom. Stek PEM gorivnih elija. Jedna gorivna elija proizvodi potencijal manji od 1V. Ali povezivanjem individualnih elija u serije (stekove) dobija se napon pogodan za prakti nu primenu. elije su odvojene posebnim slojem koji je napravljen od elektri no provodnog materijal, i koji je oblikovan tako da reaktansi imaju pristup elektrodama. Sli ni slojevi se mogu koristiti i za hla enje stekova, mada slojevi za razdvajene sami po sebi ve imaju tu funkciju. Vrlo esto stekovi imaju i sekciju za poveanje vla nosti gasova koji reaguju.
Jedna elija
Stek gorivnih elija
Nepostoji odre eni broj elija u jednom steku. ali on se naj e kre e u opsegu od 10 do 100. Povr ina jedne elije obi no ima vrednost od 100 do 400 cm2 (i ovde tako e nepostoji fiksna vrednost). Jedan stek mo e da proizvede snagu od skoro 1W, pa sve do 100kW. Za stekove koji rade na H2 i vazduh najve e gustine snaga su za sada reda veli ine oko 1 kW/l ili 1 kW/kg . Ova vrednost zavisi jako od uslova rada, kao to su pritisak reagenata, temperature, radnog napona, itd. Sistem potrban za normalno funkcionisanje PEM steka. Gorivna elija zahteva stalno hranjenje vodonikom i vazduhom da bi se kontinualno proizvodila struja. Tokom rada gorivnih elija (steka) proizvodi se toplota, koja se mora nekako odvoditi. Ina e da bi stek normalno funkcionisao, njemu su potrebne odre ene pomo ne komponente. To su:
•
Kompresor ili duvalica koja treba da obezbedi strujanje vazduha na katodi.
•
Rashladni sistem (cooling circuit).
•
Odvaja vode, koji treba da ukloni dobijenu vodu sa katode. 24
•
Kontrolni sistem.
•
Sistem za snabdevanje dotoka goriva (vodonika).
Neiskori eno gorivo Dovod goriva (do anode)
FC Stek Razdvaja vode
Hladnjak vodeni rezervoar i razmenjiva toplote Ulaz vazduha (prema katodi)
Neiskori en vazduh Pumpa
Slika: Sve to je potrebno da bi gorivna elija (stek) normalno funkcionisala.
Sistem za snabdevanje dotoka goriva mo e da bude jednostavan cilindar koji sadr i kompresovani vodonik, i kontrolor pritiska. Kori enje te nog vodonika, ili metalnih hidrida ini sistem ne to manje jednostavnim, po to mora biti obezbe ena toplota za rezervoar. Ako se umeto vodonika koristi hidrokarbon, sistem za snabdevanje gorivom postaje mnogo komplikovaniji. U ovom slu aju je neophodan gorivni reformer i gorivni pre , da bi se obezbedilo napajanje gorivnih elija vodonikom. Elektri na energija koju proizvodi stek gorivnih elija mo e da napaja invertor motora direktno. U nekim slu ajevima mnogo je atraktivnije koristiti sistem za skladi tenje energije, kao to su naprimer baterije, super kondenzatori, ili “fly wheel “. Oni obezbe uju maksimalnu snagu, koja mo e biti potrebna tokom starta, ili tokom ubrzanja. Tako e mogu biti kori eni da apsorbuje energiju tokom ko enja. Kada se koristiti skladi tenje energije, ceo sistem postaje jako ozbiljan komplikovan hibridni sistem. PEM gorivne elije zahtevaju vodonik za njihov rad . Kada se vodonik koristi kao gorivo, sistem postaje relativno jednostvan, i dobijena efikasnost je optimalna. Me utim sa vodonikom nije lako raspolagati, pa postoji mnogo problema vezanih za njega. Da bi se izbegli problemi distribucije vodonika i njegovo “on-board” skladi tenje, mnogi predla u kori enje te nog hidrokarbonskog goriva. Ova goriva mogu da se pretvore u vodonik, npr. u samom vozilu kori enjem gorivnog procesora (gorivnog reformera i gorivnog pre a). Ve neko vreme razmatra se da je mo da metanol najbolji kandidat za gorivne elije vozila. Metanol se konvertuje u vodonik na temperaturama od 220-240°C, proizvode i gas koji sadr i 3:1 odnos vodonika (H2) i ugljen-dioksida (CO2). Trenutno metanol se pravi u velikim koli inama iz prirodnog gasa, kao potrebna zaliha za hemijsku industriju. U budu nosti se mo e praviti metanol iz bio mase, ime bi se produ ilo postojanje motornih goriva (posle potro enje svih resursa nafte i prirodnog gasa). 25
Efikasnost PEM gorivnih elija. Efikasnost kojom PEM gorivne elije konvertuju vodonik u elektri nu energiju je proporcionalna naponu na kome elija radi. Kao prva aproksimacija ova efikasnost je 80 posto napona elije. Tako ako je napon elije 0.7V, njena efikasnost je 56%. Ve a efikasnost se mo e posti i smanjivanjem struje elije, tj. pove avanjem njenog radnog napona (videti grafik zavisnosti struje od napona elije). Ovo tako e smanjuje snagu elije. Kao posledica mnogo elija treba instalirati da bi se proizvela snaga potrebna za odre ene primene, a to uve ava tro kove investicije. Uop te, korisnik ima slede a dva izbora: •
Da instalira relativno veliki stek, koji zahteva velike tro kove. Da radi sa relativno visokim potencijalima individualnih elija sa velikom efikasno u. I tada e tro kovi goriva biti manji.
•
Ili da instalira relativno mali stek, sa naravno manjim tro kovima investicije. Da radi sa relativno malim potencijalima individualnih elija sa smanjenom efikasno u. I tada e tro kovi goriva biti ve i.
Kvalitativni odnos efikasnosti i snage
Efikasnost
manja snaga, ve a efikasnost, ve e po etne investicije, manji tro kovi goriva
korisnik bira izme u slede a dva izbora ve a snaga, smanjena efikasnost , smanjene po etne investicije, ve i tro kovi goriva
Snaga steka
Kao posledica potro nje snage od strane vazdu nog komresora, rashladnih pumpi i kontrolne opreme, efikasnost kompletnog sistema je manja nego efikasnost individualne elije. U slu aju rada sistema sa vodonikom kao gorivom, treba uzeti u obzir i dodatne gubitke usled procesiranja goriva (kori enja reformera i pre ista a), kao i injenicu da je iskori eno manje od 100% goriva. Ipak efikasnost takvog sistema se uve ava kada se optere enje smanji za 20% maksimalne snage. Ovo je potpuno druga ije od toga ta se de ava sa efikasno u motora sa unutra njim sagorevanjem (ICE), za koji efikasnos opada sa smanjenjem optere enja. Tako da se ne mo e lako izjaviti da sistem sa gorivnim elijama ima duplo ve u efikasnost od motora sa unutra njim sagorevanem. 26
Efikasnost u funkciji od kori ena (PEM FC protiv ICE) Sistemi sa gorivnim elijama
Optimizovan motor sa unutra njim sagorevanjem
Parazitini gubici redukuju efikasnost sistema
Grad
Kopneni putevi
Autoputevi
* Evo nekoliko konkretnih primera stekova PEM gorivnih elija zastupljenih na ….. …. svetskom tr tu, i nekih njihovih karakteristika:
Slika: Stekovi PEM gorivnih elija nema ke firme Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH (ZBT GmbH) Dimenzije: 22cm / 14cm / 16 cm (du ina (24 cells) 2 / irina / visina),te ina 3kg (24 elije), 50cm aktivne povr ine po eliji,prisilno vazdu no hla enje(ventilator), maksimalna struja 25 A , nominalna snaga 300 W (24 elije)
Slika: Osnovni delovi PEM steka, “bipolar plates” koje proizvodi nema ka firma Zentrum
für BrennstoffzellenTechnik GmbH (ZBT GmbH)
27
Slika: Okvir steka za 4 gorivnie elije koji kao gorivo koristi ist vodonik i kiseonik koji uzima iz vazduha, elektri ne snage 13 W , 2.4V (4 x 0,7v), preporu enog pritiska 18 psig H2, 20 psig O2, radne temp. 80C ,dimenzija 9x9 x4.5cm, te ine 0.85 kg, aktivne povr ine elektroda 14.5 cm2; Cena $859
Slika: kolski primer PEM steka od 5 duplih gorivnih elija koje rade na vodonik. Snage 5W , Povr ina elektrode 5 x 2 2 cells of 16 cm , Visinax irinaxDu ina 100 x 200 x 400 mm, Te ina 2.3 kg, Cena $1,194.00
Snaga steka 1 – 1.4w (1kW na 16V, 1.4 kW na 14V), stek sadr i 24 PEM gorivne elije povr ine 245 cm2 , reaktansi: vodonik, pre en vazduh; hla enje vodeno , dimenzije 14cm x 24cm x 24cm.
Snaga steka (W)
Potencijal steka (V)
Karakteristike za 24 elije steka
Nominalna snaga steka: 100W, 32 do 96V, Tip gorivnih elija: PEM, Membrana: Nafion 111, Gorivo: Vodonik visoke isto e, Oksidant Kiseonik (iz vazduha), stek od 96 elija, Hla enje: Vazdu no (ventilator), Pritisak vodonika: 250mbar, Pvr ina reagovanja 3.8cm2 po eliji Dimenzije: 110x110x110mm, Te ina: 900 g, Tempera okoline: 5 to 40C, Nema emisije toksi nih gasova. Tokom rada se proizvodi mala koli ina vode, Cena: $2,669.00
Struja steka (A)
28
Gorivne elije sa direktnom konverzijom metanola (DMFC) Princip rada. Gorivne elije sa protonskom membranom mogu se adaptirati tako da direktno koriste metanol, i to su onda gorivne elije sa direktnom konverzijom metanola. U tom slu aju one koriste rastvor metanola i vode kao gorivo, a dobija se struja, karbon dioksid i voda. DM gorivne elij su sposobne da korist kiseonik dirktno iz vazduha, pa je to naj jednostavnije re enje jer ga uzimaju iz okolne atmosfere. Kod njih se na anodi – katalizatoru izdvaja vodonik direktno iz metanola. Elektri na struja
H 2O
UGLJEN DIOKSID (CO2)
\\\\\
RASTVOR METANOLA I VODE
VAZDUH (O2) KATALIZATOR ANODA
KATALIZATOR membrana KATODA
Slika: Princip rada gorivne elije sa direktnomkonverzijom metanola
Slede e relacije defini u elektorhemijske reakcije na elektrodama i globalno u eliji: REAKCIJA NA ANODI:
REAKCIJA NA KATODI: +
CO 3OH + H2O à CO2 + 6H + 6e
-
+
-
3/2 O2 + 6H + 6e à 3H2O
Njihova radna temperatura je od 60 ºC do 90 ºC, i imaju elektri nu efikasnost od 40%, koja zavisi od temperature (sa pove anjem temperature pove ava se efikasnost). Proizveden je najnoviji tip membrane od polibenzimidazol-a (PBI), sa kojom se radna temperatura podi e na 125ºC -200ºC smanjuju i time gubitke katalize. Tako e se ovim re ava problem odr avanja stalne vla nost povr ine membrane. Na vi im temperaturama se smanjuje opasnost od zaprljanja katalizatora Pt-Ru sa CO. Ina e polibenzimidazol je materijal op te namene (koristi se za vatrogasne uniforme), i on se u eliji nalazi impregniran sa fosfornom kiselinom.
29
DM gorivne elije razvijaju 50% manje CO2 od tradicionalnog procesa sagorevanja metanola. Posti u relativno dobre gustine snaga (300/500 mW/cm2). Kod elija ve ih snaga zbog problema probijanja metanola prema katodi obavezni su me i. Pobolj nje karakteristika DM gorivnih elija kori enjem Naifon®-a. Kako su gorivne elije polako ulazile u komercijalne svrhe, polimerna membrana je bila ograni avaju i faktor za pobolj anje njihove eksplatacije. Kori enjem polimerne elektrolitske membrane na bazi Naifon ®-a, zna ajno se pobolj avaju karakteristike DM gorivnih elija. Tokom procesa metanol ulazi u sistem preko anode, gde oksidira i generi e ugljen dioksid. Na katodi se odigrava suprotan proces, tj. proces redukcije. Ako metanol pro e kroz polimernu membranu, on tako e oksidi e na katodi, to zna ajno smanjuje sveukupne performanse elije. ovde metanol ulazi u eliju
izlaze CO2 , voda i neiskori en metanol
boja ukazuje na tro enje metanola du elije
struja vazduh
voda i neiskori vazduh
en
Demonstracija Crossover efekata metanola u gorivnoj eliji
Boja pokazuje koncentraciju metanola u eliji, crvena je maksimalna, a plava je kocentracija metanola pri izlasku iz elije, tj. ono metanola to je ostalo neapsorbovano. Prva slika pokazuje kako se metanol tro i du kanala kojim se kre e kroz gorivnu eliju, a na drugoj se demonstrira Crossover efekat, tj. prelazak metanola na drugu stranu barijere (barijera je u ravani koja sadr i dve crne du i na drugoj slici, negde na sredini visin elije; napomena konstantno tamnoplava boja na drugoj slici ne predstavlja metanol)
Pobolj anjem karakteristike selektivnosti propustljivosti membrane olak ava se prolazak vode, a ote ava prolazak metanola, ime se zna ajno pobolj avaju karakteristike celog ure aja (gorivne elije). Jedan od na ina da se pobolj a provodnost, a smanji propusnost metanola je kori enje komercijalizovanog Naifon® filma, kojim se stvara tanka nepropusna barijera na povr ini.
30
METANOL BARIERA
STRUKTURA NAFION-a
Slika:Methanol Concentration Demonstrating the Methanol Crossover Effect
Grafik: Odnos snage i gustine struje za gorive elije koje koriste Nafion 117 film, pre i posle izlaganja elktronskom snopu od 9.3 C/cm2
2
SNAGA (mW/cm )
Izlaganjem jo povr inske strukture koja sadr i Naifon® maloj dozi zra enja elektronskim snopom (obi no se koriste naponi od 35kV), propusnost metanola se uspe no redukuje za 50% u odnosu na slu aj kada se film netretira istim postupkom.
POBOLJ ANJA
POBOLJ ANJA
2
GUSTINA STRUJE (mA/cm )
EB - (Electron beam) elektronski snop
.
Pobolj anje karakteristika polimerne elektrolitske membrane postignuto u kompaniji Toray Industries Inc. In enjeri kompanije Toray ustanovili su da voda unutar polimerne membrane postoji u obliku klastera, i da ona (membrana) nema samo mogu nost provo nja jona nego kao to je ve malopre re eno i mogu nost propu tanja metanola. Dalje, sa pa njom na pokazanu strukturu polimera i vode unutar membrane kompanija je uspe no uspela da razvije membranu u kojoj voda u polimeru doprinosi samo jonskoj provodnosti, bez pove anja propusnosti metanola.
31
POSTOJE A MEMBRANA
NOVA MEMBRANA
VODENI KLASTERI
KISEONIK
VODONIK
UGLJENIK
FLUOR
SULFIDNA KISELINA
On se zasniva na revolucionarnom postupku kojim se uve ava kontaktna povr ina izme u elektroda i propusne membrane. Time se zna ajno pobolj ava mogu nost generisanja snage i trajnost, u pore enju sa postoje im fluorskim tipom membrane. ELEKTRODE
ELEKTRODA
ELEKTROLITSKA MEMBRANA
METANOL CROS-OVER
POBOLJ ANJE KARAKTERISTIKA POSTI E SE POVE ANJEM KONTAKTNE POVR INE
POSTOJE A MEMBRANA POBOLJ ANJE
NOVA MEMBRANA JONSKA PROVODNOST Vek trajanja
Sposobnost generisanja snage
POSTOJE A MEMBRANA
KONCENTRACIJA METANOLA (%)
GUSTINA SNAGE
GUSTINA SNAGE
NOVA MEMBRANA
NOVA MEMBRANA
POSTOJE A MEMBRANA
VREME
Slika: Neke karakteristike nove membarne
Ipak, name e se potreba razvoja novih tipova membrana koje ne e bazirati transport protona na prisustvu vode. Trenutno se radi na IMIDAZOLU, ne vodenom jonskom propusniku, ali sa trenutnim problemima radnog veka postojanosti nekh njegovih sastojaka. 32
Primena DM FC. DM gorivne elije imaju zna ajnu primenu sa aspekta mikro konstrukcije. Mnogi proizvo i imaju u ponudi jako efikasne gorivne elije koje su po formi iste sa baterijskim ili akomulatorskim elementima, i koje slu e za pokretanje raznovrsnih prenosnih ure aja za komercijalne, profesionalne i vojne svrhe. Princip napajanja mikro generatora se zasniva na izmeni istro enog kertrid a ( rezervoara metanola ) sa punim. drugim punim. ELEKTRODE
Energetski kapacitet
ELEKTRODE
LIB kraj veka baterije
Vreme (satiI) Grafik: Pore enje energetskog kapaciteta u zavisnosti od vremena kori enja LitijumJonske baterije (LIB) i gorivne elije sa direktnom konverzijom metanola (DM FC).
Slika levo: Gorivna elija napravljena u institutu Frauhofer IZM (Frauhofer IZM je jedan od vode ih instituta u polju sistemskih integrisanih tehnologija, materijala i drugih oblasti).
Slike levo: To ibina gorivna elija sa direktnom konverzijom metanola, izlazne snage 100mW
Slika dole: Prototip kertrid a gorivnih elija za laptopove
Slika: DM FC stek sa 12 elija snage 24W
DM gorivne elije imaju veliku prednost u odnosu na PEM, jer se izbegava problem lagerovanja vodonika kori enjem metanola, tj. njegvih kertrid a. 33
Gorivne elije sa direktnom konverzijom etanola (DEFC) Etanol je obnovljiv izvor energije, i predstavlja gorivo biljnog porekla sa jedinim ispravanim kru nim prirodnim ciklusom. To zna i da kad bi se on koristio kao gorivo postojao bi balans ugljendioksida u atmosferi, to je predstavljeno na selde oj slici:
kiseonik
ugljen dioksid
ugljen dioksid
fotosinteza celuloza METANOL
voda
Slika: Kori enjem etanola kao goriva odr avao bi se balans ugljen dioksida u atmosferi Prema podacima RFA(USA), samo efekat me anja standardnih goriva sa etanolom ( ime se smanjuje emisija tetnih gasova u atmsferu, i pobolj ava karakteristika motora) smanjila je emisiuju tetnih gasova na teritoriji Amerike u 2002. godoni za 4.3 miliona tona. To je ekvivalentno neizlasku 636000 vozila na ulice u periodu od godinu dana.
Etanol je bistro bezbojno alkoholno gorivo koje se dobija iz era itarica kao to su kukuruz, erne trske i p enice, a tako e i iz kore krompira i pirin a. Posotoji nekoliko na ina pravljenja etanola iz bio masa. Naj e kori eni proces danas koristi kvasac za fermentaciju era i skroba iz biljaka.
34
Kao gorivo etanol ima jako dobre karakteristike: sigurno je, ne toksi no, mo e da radi u irokom opsegu temperatura (-40ºC do 180ºC), ima ra irenu mre u za distribuciju. Princip rada. Gorivne elije sa direktnom konverzijom etanola su tehnolo ki veoma sli ne gorivnim elijama sa direktnom konverzijom metanola (DM FC). Princip rada je prikazan na slede oj slici: Elektri na struja
Etanol (C2H3OH)-Voda
Katalizator
Katoda
Membrana
CO2-Voda
Anoda
Katalizator
Vazduh
Slika: Princip rada gorivnih elija sa direktnom konverzijom etanola
Na anodu se dovodi rastvor etanola i vode, gde etanol sa pristiglim jonima OH- pravi jedinjenja CH3CH2OH, ugljendioksid i vodu, i jo osloba aju dva elekrona koji se kre u ka katodi (ako je strujno kolo zatvoreno). Na katodi vazduh (kiseonik) sa pristiglim elektronima i vodom gradi malopre pomenute jone OH- koje propu ta membrana (elektrolit) ka anodi. Elektri no kolo koje defini e strukturu DE gorivnih elija je prikazano na slede oj slici: Cd,a
Re
Cd,c Indeksi: a-anoda c-katoda
Rct,a
Wa
Rct,c
Wc
Cd,x - Kapacitet duplog sloja (efekat razdvojenog naelektrisanja nosilaca na elektrodi i jona u soluciji)
35
Rct,x - Otpornost transvera naelektrisanja (efekat razli itih potencijala otvorenog kola i potencijala na korespodentnoj elektrodi)
W a - Difuziona WARBURG impendansa (efekat frekvencije difuzionih perturbacija) Re - Ekvivalentna unutra nja otpornost membrane (Merenja svih tehnolo kih parametara procesa u gorivnim elijama vr e se kompleksnim spektroskopskim metodama.)
Zahvaljuju i kori enju specijalno patentiranog katalizatora PlatinoSinteticoTM(PtTM), me avine Fe, Ni, Co (terrnarna) u obliku nano cev ica, koja je mnogo jeftinija od same platine, pobolj ana je kataliti ka aktivnost na elektrodama u raznim tipovima gorivnih elija. Uz kompletnu oksidaciju etanola C2H6O u CO2 elija sa PtTM katalizatorom obezbe uje 42-45% elektri ne efikasnosti. Radna temperatura je 30-60ºC. Izmerena gustina snage 65mW/cm2 na 22 ºC i 140mW/ cm2 na 45 ºC, zavisno od goriva. Slika: kolski stek DE FC.
Grafik:Test sa konstantenim optere enjem
Grafik: Gustine struje i snage DEFC
HYPERMEC® je jo jedan patentiran mateijal (jeftiniji od platine) koji se koristi kao katalizator u gorivnim elijama koje tro e alkoholna goriva. On se posebno sla e sa EtOH i ethil glikolom (antifrizom) kao gorivom u gorivnim elijama. Za ethil glikol je karakteristi no da mo e da radi na vrlo niskom temperaturama (-40ºC), pa sve do 180ºC. Zna i ima irok opseg primene u kojem kao gorivo neisparava. Primena DEFC. Gorivne elije sa direktnom konverzijom etanola, pored mogu e primne u automobilskoj industriji pretenduju i kao kandidati za kori enje u prenosivim ure ajima. Baterije sa DE gorivnim elijama su dosta lak e i imaju znatno du i vek trjanja i kapacitet od dosada kori enih bateriskih sistema. Tako e vreme punjenja goriva (ili menjanje kertrid a) znatno kra e traje od punjenja uobi ajenih baterija.
36
Alkalne gorivne elije (AFC) Kod njih je elektrolit vodeni rastvor KOH, a elektrode su u jeftinijoj varijanti porozni nikl, a u skupljoj Platina. Radna temperatura im je (kada je elektrolit Platina) od 60 do 100ºC. Princip pokretanja cele reakcije zasniva se na vi ku OH- jona: Elektri na Struja
Vodonik (H2)
Kiseonik (O2)
Voda i Toplota Anoda
Elektrolit
Katoda
Na anodi vodonik reaguje sa OH- jonima osloba aju i elektrone, koji kroz anodu i spolja nje kolo dolaze na katodu. Na katodi joni reaguju sa kiseonikom i vodom proizvode i ponovo OH- jone kako bi kompenzovali rekombinovane na anodi. Slede e relacije defini u elektorhemijske reakcije na elektrodama i globalno u eliji: NA ANODI: NA KATODI: REAKCIJA U
H2 + 2OH- à 2H2O + 2e1
/2O2 + H2O +2e- à 2OH-
ELIJI:
H 2 + 1/2O2 à H2O
Vidi se da se voda proizvodi na anodi dva puta br e nego to se tro i na katodi. Osnovno gorivo je vodonik, a neki upotrebljavaju i Idrazin (N2H4). Ove vrste gorivnih elija neprihvataju CO2 na katodi ni u tragovima, pa je ova tehnologija iako najstarija ostala jedina koja zahteva ist vodonik i ist kiseonik. Radne temperature se kre u u irokom opsegu od 60 ºC pa sve do 250 ºC, na koliko bi radile u svemirskoj tehnologiji. Dobra odlika im je brz start na hladno. Efikasnost je izuzetno visoka i kre e se oko 70% pri maksimalnoj snazi. Ali bez obzira na to skupi materijali za njenu izradu su uzrok njihove ne masovne proizvodnje. Primenu ima samo u ekskljuzivnim programima kao to su APPOLLO, SPACE SHUTTLE, u vojnim podmornicama, gradskom prevozu (autobus ELENCO – ina e danas ve ina autobusa na gorivne elije koristi BALLARD-ove PEM stekove). Tako e ograni avaju i faktor je nefleksibilnost u proizvodnji razli itih goriva. 37
Brzina procesa koji se odigravaju u gorivnoj eliji je tako e i funkcija pritiska pod kojim se reagenti (vodonik i kiseonik) dovode na elektrode. Koliko je ovo stvarno kompleksan ure aj vidi se iz slede e blok eme gde su pored ostalog predvi eni specijalni pre ista i vazduha kako bi se izbegao i najmanji rizik zaprljanja skupocenog katalizatora Platine. kompresor
pre
ava CO2 vazdu ni filter
ubaciva
STEK G. ELIJA
H2O kondezator
ventilator
VODONIK VAZDUH KON VODA
Slika: Blok ema funkcionisanja kompletnog sistema gorivne
elije.
Sa slike se vidi da na kvalitetan odziv gorivne elije uti e vi e operativnih parametara, a najbitniji su temperatura, pritisak gasa (gorivnog medijuma), kompozicija tj. kvalitet gasa (prisutnost ne to a) i drugi. Evo nekih primera alkalnih gorivnih elija: Slika levo: Aklalna g. . LC200. Stek po potrebi obezbe uje 3, 6 i 12v , 240w. Struja elije: 10A max. (sobna temp),20A max. (70 °C). Dimenzije: 230 (W) x 60 (L) x 180 (H) mm (4 elije) ) Slika desno: POWERSTACK™ MC250, stek alaklnih gorivnih elija snage od 300 W – 10 kW.
38
Gorivne elije sa fosfornom kiselinom (PAFC) Kod njih se upotrebljava kao elektrolit fosforna kiselina (PO4H3) impregnirana u matri nu strukturu SiC. Obe elektrode su od poroznog grafita. Radna temperatura elije je od 180 - 210 ºC, zbog ega postoje veliki problemi sa korozijom i to ograni ava fleksibilniji izbor materijala za primenu. Elektrode se prave od zlata, titanijuma ili ugljenika, a katalizator je obavezno iz familije Pt (Platine). Kiselina u sistemu ne sme da isparava, tako da je jedini medijum koji isparava voda. Njihova velika prednost je ta to nisu osetljive na prisustvo CO2, pa se mogu koristiti razli ita goriva (gasni i te ni ugljevodonici, alkoholi, nekvalitetniji vodonik). Po to rade ne temperaturama oko 200ºC idealni su generatori za kogeneraciju. Potro
Elektri na Struja
Vodonik (H2)
Kiseonik (O2) Vodonikovi joni
Voda Anoda
Elektrolit
Katoda
Slika: Osnovni princip rada PAFC
Slede e relacije defini u elektorhemijske reakcije na elektrodama i globalno u eliji: NA ANODI: NA KATODI: REAKCIJA U
ELIJI:
2H2 à 4H+ + 4eO2 + 4H+ + 4e- à 2 H2O H 2 + O2 + CO2 à 2H2O + CO2
39
Namenjene su malim i srednjim pogonima, i posti u 40% elektri ne efikasnosti. Elektrane ovog tipa tipi no proizvode od 200-250kW, do maksimalno 1.3-40MW. Radna temperatura od 200 ºC dovoljno je visoka da obezbedi upotrebu toplotne energije koju generi e gorivna elija za proces predgrevanja reformera gorivnih medijuma, npr. prirodnog gasa, a isto tako da obezbedi (npr.) rezidencijalno zagrevanje prostorija. Gorivne elije sa fosfornom kiselinom imaju vrlo specofi an problem, odnosno tzv. tehni ki singularitet: Na temperaturi od 45 ºC elektrolit se zgu njava i pove ava zapreminu, pa se zbog toga ovi ure aji nesmeju rashladiti ispod ove temperature ina e bi do lo do naprezanja u konstrukciji steka i deformacije elektroda. Tako se postrojenja sa PA gorivnim elijama uvek proizvode za stabilan rad, i u takvim uslovima eksplatacije pokazuju maksimalna svojstva. Kada jednom startuju samoodr ivi su po pitanju svih parametara, to zna i da tra e neprekidnu proizvodnju energije i to manje zastoja. Kao i kod alkoholnih gorivnih elija prirodni polo aj ovih vrsta stekova je horizontalni.bnmbnmbmb bmbnb
Slika: Gorivna elija sa fosfornom kiselinom snage od 4-7W, aktivne povr ine 2 25cm , te ine 2kg, maksimalne radne temperature 210 C.
Slika levo: ONSI PC-25 agregat sa gorivnim elijama na fosfornu kiselinu snage 200kW.
Sa vi e stotina instalacija irom sveta koji napajaju naj razli itije objekteje, agregat PC-25 je prakti no naj zastupljenija aktivna tehnologija na tr tu. Tehnologija PAFC je pokazala izuzetnu pouzdanost i trajnost. Veliki broj sistema zadovoljio je do sada strogi zahtev neprekidnog rada (40.000 radnih asova) i znatno ga prema io, teko da se u budu nosti ne predvi a njihovo intenzivnije usavr avanje.
*
40
Gorivne elije (baterije) cink – vazduh (ZAFC) Ova tehnologija omogu ava prvo re enje u svet recikla nog generatora elektri ne energije. Za njihov kontinualni rad treba obezbediti povremenu zamenu zasi enog elektrolita i oksidisanog gorivnog medijuma – anode (cinka). Konstrukcija je tako izvedena da se dopuna goriva vr i u radu, bez potrebe prekidanja snabdevanja potro a elektri nom energijom. Gorivni medijum, u ovom slu aju cink mo e se proizvesti u velikim koli inama, i poznat je jo od Leklan eove baterije. Cink je metal, nezapaljiv, neeksplozivan, neotrovan, lakoobradiv, i predstavlja mnogo manje problema u svakom pogledu u odnosu na vodonik kao gorivni medijum. Slika: elija sadr i zamenljive anodne kasete cinka.
Cink Anoda
Katode za redukciju kiseonika KON elektrolit Separator
O2 iz vazduha
Svaka elija elektrohemijskog generatora ZAFC sastoji se od zamenljive kasete anodnog goriva u obliku cink granula pome anih sa elektrolitom kalijum hidroksidom (KON). Kaseta se sme ta u sendvi izme u redukciono efikasne katode. Prolaze i kroz GAS (Gas Difussion Elektrode) kiseonik iz vazduha reaguje sa katodom generi i hidroksilni jon OH-, koji dalje kre i se kroz strukturu elektrolita reaguje sa metalnim prahom vr i oksidaciju u cink oksid uz osloba anje dva elektrona i toplotne energije. Elektroni preko spolja njeg kola zatvaraju eletrohemijski ciklus na katodi.
Hemijski procesi koji se odigravaju unutar elije su: Na anodi: Zn + 4OH- = Zn(OH)42- + 2e Zn(OH)42- = ZnO + 2 OH- + H2O
Na katodi: O2 + 2H2O + 4e- = 4 OH-
Ukupna reakcija: Zn + ½ O2 = ZnO
ZAFC generatori ostvaruju po eliji gustinu energije do 200Wh/kg, i gustinu elektri ne snage od 90W/kg mereno na 80% potro enog kapaciteta. Ove vrednosti su kompetitivne sa svim konkurentnim elektrohemijskim izvorima energije. Kada se gorivo koje se nalazi u anodnoj kaseti potro i, dovoljno je samo ubaciti drugu sa sve im recikliranim cinkom i KON-om, i proces generisanja elektri e energije se nastavlja. Interesantno je da je za rekombinaciju gorivnog punjenja potrebno izvr iti impulsno tretiranje sa to ve im pikom struje, i da se u propisanom re imu regeneracija izvr i za 5 minuta. U vozila sa ZAFC ugra uju se novi ure aji “refrigeri”, koji na sebe preuzimaju ulogu za regeneraciju, pa se na taj na in tankiranje goriva svodi na preuzmanje odre ene koli ine elektri ne energije na pumpnim stanicama ili u sopstvenim gara ama. Jedna od aktuelnih ideja u svetu je testiranje ZAFC generatora snage do 150kW i kapaciteta do 350kWh za pokretanje me ugradskog autobusa. Uspostavlja se hibridna struktura, ZAFC kao osnovni izvor energije, superkapacitivnosti za ispomo u vr nim 41
operacijama i iskori enje kontraelektromotorne sile pri ko enju. Na ovaj na in posti u se odli ni rezultati, prakti no autobus se pretvara u trolejbus, ali bez obaveznih trola.
Slika: Elektri ni autobus sa gorivnim elijama ZAFC na ulicma Wa ingtona.
Gustina energije je mera koliko se energije mo e uskladi titi po jedinici te ine, i za vozilo to defini e radijus kretanja sa jednim punjenjem. A gustina elektri ne snage mera nivoa snage koja se mo e predati potro u po jedinici te ine generatora, i za vozilo ona zna i kvalitet ubrzanja. Visoki iznosi gustine energije i snage omogu avaju transportnim sredstvima koja rade na princiou ZAFC veliku autonomiju i izvrsne performanse. Ameri ki standardi postavljaju za kona ni cilj da ove dve vrednosti (za nove elektrohemijske izvor) budu respektivno 200W/kg i 400W/kg. Komparacije radi, benzin ima gustinu 13000W/kg.
irom sveta se razvijaju razni sistemi sa gorivnim elijama metal-vazduh. Od interesa je i primena aluminijuma kao gorivnog sredstva. Zbog svoje specifi ne te ine i op te prisutnosti na tr tu, kao i usled specifi ne energetske vrednosti govori se ak i o “ekonomiji aluminijuma” (pandam ekonomiji vodonika). I cink-vazduh i aluminijumvazduh su procesi koji se upravo obezbe uju patentima, tako da je jasna injenica da o tehnolo kim detaljima, elementima prora una i labaratorijskim mernim vrednostima nema nikakvih detalja. Cink Regenerator Cink, gorivni tank
Stek gorivnih elija
Slika: Modul gorivne elije ZAFC. Broj elij 47, napon steka 67V, operativni napon od 47-50V, kapacitet 325Ah, energetske kapacitivnosti 17,4kWh, Peek power 8kW, te ina 88kg, zapremina 79l, energy density 200Wh/kg, dimenzije 726x350x310 mm
Pumpa Blower Baterija Invertor Prednji Panel Slika: Regenerativna ZA gorivna elija izlazne snage 1kW
42
Gorivne elije sa istopljenim ugljenikom (MCFC) Ove gorivne elije rade na visokim temperaturama i pritiscima, i prakti ne posledice podizanja temperature u njima nisu samo pozitivne prirode. Tako e, inteziviraju se i problemi sa korozijom, komplikuju problemi sinterovanja i kristalizacije katalizatora, pogor ava starenje i degradacija elektrolita. Maksimalna operativna temperatura za razne tipove gorivnih elija odre uje se od slu aja do slu aja na osnovu termi ke stabilnosti odabranih materijala od kojih je realizovana celokupna struktura, kako pojedina nog modula tako i steka kao finalnog proizvoda. Pove anje pritiska gorivnog medijuma u prostoru elije povla i za sobom slede e efekte: • Dovodi do intenziviranja parcijalnih pritisaka reagenata na elektrodama smanjuju i polarizaciju. • Pobolj ava proces transporta i rastvorljivosti gorivnog medijuma u elektrolitu i time tako e smanjuje polarizaciju elije. • Smanjuje gubitke elektrolita (naro ito te og). Elektri na struja
Vodonik (H2)
Kiseonik (O2)
Voda i Toplota
Ugljen-dioksid
Anoda
Elektrolit
Katoda
MC gorivne elije rade u re imu temperatura oko 650ºC, i kao elektrolit je upotrebljena euteri ka me avina Li2CO3/K2CO3. U odnosu na druge tipove gorivnih elija sa te nim elektrolitima ove elije imaju prednost jer odr avaju konstantnu vrednost kompozicije elektrolita za svo vreme rada. Elektro hemijske reakcije u eliji su oksidacija vodonika na anodi i redukcija me avine O2 i CO2 na katodi: Anoda: Katoda: Globalno:
H2 + CO32- à H 2O + CO2 + 2eCO 2 + ½ O2 + 2e- à CO32H2(g) + ½ O 2(g) + CO2(g) à H2O(g) + CO2(g)
Slika: Osnovni princip rada MCFC
Kvalitet rada generatora MCFC zavisi od optimizacije svih komponenti ponaosob. To je posebno zna ajno uraditi za katodu koja mora da garantuje kataliti ku aktivnost, provo enje elektrona do lokaliteta reakcije, omogu avanje prolaska gasova do istih lokaliteta, kondukcionu sabirnicu za elektrone proizvedene u elektrolitu. Zato je optimalna struktura katode odre ena kao bimodalna distribucija pora. Najsitnije pore preplavljene su elektrolitom omogu avaju i neophodnu jonsku provodljivost, a isto tako pove avaju maksimalno i povr inu za reakcije. Najkrupnije pore ostaju otvorene i omogu avaju prolaz gasova.
43
Dalje e biti prikazane osnovne termodinami ke relacije za pritisak i temperaturu iz kojih se mogu uvideti fundamentalne interakcije izmedju operativnih parametara gorivnih elija sa istopljenim ugljenjikom. Kako je maksimalna koli ina elektri nog rada koji jedna elija mo e dati fiksirana varijacijom slobodne energije reakcije u eliji, zavisnosti pogonskih karakteristika gorivne elije od temperature i pritiska direktno proizilaze iz njihove varijacije slobodne energije. G = H − TS H = E + PV
dG = dH − d (TS ) = dE + PdV + VdP − TdS − SdT dE + PdV − TdS = 0
Prvi zakon termodinamoke
dG + VdP − SdT d∆G = ∆VdP − ∆SdT ∂∆G = − ∆S ∂T P ∂∆G = ∆V ∂P T ∆G = − nFE
∂E nF = ∆S ; ∂T P
∆S ∂E ; = ∂T P nF
∂E − nF = − ∆V ; ∂P T • • •
− ∆V ∂E ; = nF ∂P T
Zavisnost e.m.s. od temperature
Zavisnost e.m.s. od pritiska
Reakcija elije ima ∆S < 0 . Sledi da e.m.s. opada sa porastom T. Reakcija elije ima ∆V < 0 . Sledi da e.m.s. raste sa porastom P. Negativni uticaji porasta T na termodinamiku reakcija u eliji kompenzirani su na neki na in nizom prakti no pozitivnih manifestacija.
Joni se zahvaljuju i deistvu gradijenta koncentracije defundiraju od katode prema anodi redukuju i se usput. Danas se radi na primeni trostruke kombinacije LiFeO2, LiC oO2, NiO prema “bloom-u” gde prva kombinacija LiFeO2 obe ava da razre i probleme na sasvim zadovoljavaju i na in. Kako ove gorivne elije ne moraju dodavati reformer nazivaju se i direktne gorivne elije. Va na odlika ove tehnologije je to to se vr i recirkulacija CO2 unutar elije, tako da i sam CO2 u estvuje u procesu kao gorivo a nebiva direktno izba en u atmosferu. Generatori MCFC ostvaruju elektri nu efikasnost od 60%. Ina e kori enjem i kogeneracije posti e se fenomenalnih 88%. Ovom nivou efikasnosti u generisanju elektri ne energije na malim snagama neprilazi ni blizu ni jedan drugi ortodoksni transformator energije. Samo na veoma visokim snagama, npr. 200MW o ekuju se u budu nosti specijalne kerami ke gasne turbine sa efikasno u od 55-58%. 44
Gorivne elije sa vrstim oksidima (SOFC) Uvod i princip rada. Gorivne elije sa vrstim oksidima su trenutno vode a tehnologija i po tehni kim potencijalima i po mogu nostima aplikacija. Njihova radna temperatura je veoma visoka i kre e se u opsegu 800 – 1000°C. Tra e se re enja da se svi procesi uspe no odigravaju i na 600°C. Kod ovih vrsta gorivnih elija elektrolit je kerami ka struktura visokih performansi. Anoda je konstruisana od CERMET-a, metalizovane keramike na bazi nikla, dispergovanog po stabilizovanom ZIRCONIU. Na katodi je Elektri na struja
Gorivo
Vazduh
Neiskori eno gorivo i voda
Anoda
Elektrolit
Katoda
Slika: Osnovni princip funkcionisanja SOFC
katalizator u obliku dioksida.
Slika: Mikroskopski snimak preseka SOFC
Anoda
Procesne reakcije na elektrodama i globalno unutar elije su: Anoda: Katoda: Globalno:
H2 + O2 à H2O+ 2e-
Bipolarana plo a igra klju nu ulogu u realizaciji Katoda SOFC. Ona mora odr ati tehni ke zahteve na H2(g) + ½ O2(g) à H2O(g) veoma visokoj temperaturi i u oksidaciono redukcijskom okru enju, a sa druge strane pru iti Tok struje milionsku otpornost prolasku elektri ne struje Interconnections Interconnections kroz strukturu. Elektrolit ½ O2 + 2e- à O 2-
Anoda
Gorivo
Elektrolit Katoda
Ponavljanje elija
Vazduh Interconnections
Elektrolit Vazdu na elektroda Tok vazduha
Anoda
Gorivo
Slika: Slojevi konstrukcije planarne SOFC
Gorivna elektroda
Slika: Struktura cilnidri ne SOFC
45
Intenzivna istra ivanja u polju konstrukcionih materijala, kataliti kih struktura, procesa ija su re enja ostvarila efikasnije agregate sa gorivnim elijama iskoristile su i konkurentske tehnologije. Pogotovu su op te prihva ena REFORMER re enja u svim predprocesima napajanja parne i gasne turbine radnim medijuom. Izrada kriti nih delova gasnih turbina od specijalnih keramika koje su implementirane u strukturi SOFC dovodi turbo generatore u oblast visokih energetskih efikasnosti, ali iznad svega proizvodi op tu korist jer se svim ovim postupcima posti e zna ajno smanjenje polucija. Reverzibilne SOFC. One su najzna ajnije unapre enje u polju primene ve va e superiorne tehnologije. Rade na principu kori enja elija sa parom kao oksidantom i gorivom (razni ugljevodonici u gasnom stanju) kao sredstvom za elektrolizu, a bez posebnog izvora elektri ne energije. Drugi deo sistema koji je fizi ki spregnut sa prvim preuzima ulogu dodatnog podizanja potencijala za elektrolizu, rade i kao standardna SOFC. Ovo je sasvim nova vrsta kogeneracije i mo e direktno uticati na aktiviranje H2 ekonomije. Generisati H2 na ovaj na in daje povod razmi ljanju o sopstvenom napajanju automobila. DO SO FC. Vrlo zna ajno tehnolo ko unapre enje (2004. godine) gorivnih elija sa
vrstim oksidima je DOSOFC (Direct Oxidation Solid OxideSOFC)> Su tina je u promeni strukture anodne konstrukcije. Dvostruka uloga Nikla menja se tako da bakar ostvaruje elektronsku provodnost, a Cerium (Ce2O3) startuje kao pouzdani katalizator oksidacije. Elektroda Cu Ce2O3 mnogo bolje podnosi direktne aktivnosti sa ugljevodoni nim gorivom, a najve a prednost u odnosu na NiC jeste podno enje sumpora u gorivu ve e od 500ppm. Na ovaj na in redukuje se kompletan in enjering gorivne elije i ona postaje mnogo fleksibilnija na primenu razli itih vrsta goriva, tj. postaje mnogo jeftiniji i atraktivniji generator. Nova tehnologija firme “Franklin” u obliku DOSOFC generatora elektri ne energije isklju uje upotrebu reformera i uvodi direktno u gorivnu eliju najrazli itije oblike gasnih i te nih gorivnih medijuma (nema potrebe za odsumporavanjem, i netra i vodenu paru za odr avanje hemijske reakcije). U 90% upotreba goriva daje efikasnost zavisno od goriva u proseku 56%.
Slika: Radne karakteristike SOFC u zavisnosti od medijuma.
46
Na prethodnom grafiku su predstavljene radne karakteristike gorivnih elija sa reakcijama na 800ºC tehnologije SOFC u modu SOFEC i to za me avinu vodene pare (10%) sa vodonikom, vodene pare (27%) sa syngasom, ili vodene pare (50%) sa metanom. Ventilirani vazduh slu i kao oksidant u SOFC modu. Me avina vodene pare od 90% sa vodonikom koristi se kao oksidant u SOFEC modu. Veoma je atraktivna alternativa da se pomo u reverzibilne SOFC u modu elektrolize sa protokom goriva (SOFEC) dobije ist vodonik za primenu na licu mesta, kao pumpna stanica za vozila na vodonik, ili za direktno napajanje rezidencijalnih kapaciteta (distributivno napajanje potro a), priklju uju i se na ve razu ene nacionalne mre e distribucije prirodnih gasova, ili jo ekonomi nije koriste i obnovljive energetske resurse iz bio masa. Iz blok eme koncepta SOFC-SOFEC se vidi da je SOFEC elektrohemijska elija vrlo sli ne strukture kao ve opisana SOFC, sa izuzetkom to je oksidant na katodnoj strani vodena para umesto kiseonika. Princip rada je taj da kada vodeni medijum po ne da struji anodnom stranom elije zapo inje se disocojacija vodene pare na vodonik i kiseonik. Zajedno sa zaostalom vodenom parom disocirani vodonik napu ta katodu SOFEC. Izlaze a struja se razdvaja usled kondenzacije vodene pare formiraju i isti gas vodonik. U ovom procesu gorivni medijum generi e hrmijski potencijal kao supstituciju elektri nog potencijala konvencijalno kori enog za odr avanje elektrolize. Za ostvarivanje ve e koli ine vodonika dodaje se elektri na energija iz ve aktivne SOFC. Reakcija na katodi: H2O H2 + ½O2 Reakcija na anodi: 2CH4 + 3H2O CO2 + CO + 7H2 ; CO + ½O2 Tako e se u sistemu de ava i rekombinacija: H2 + ½O2 H2O
CO2
Kao gorivo se tipi no primenjuju prirodni gas iz lokalne mre e ili syngas dobijen gasifikacijom uglja sa kompozicijom: Syngas:55.8%H2, 11.1%Co, 5.9%CO2, 27.2%H2O.
Slika: SOFC (solid oxide fuel cell) jstek
sa 20 pojedina nih elija.
Slika: Stek gorivnih elija tokom nisko
temperaturnog testa. Slike levo: Primeri stekova SOFC gorivnih elija. Slika desno: Solid Oxide Fuel Cell, “TuffCell”.
47
Gasifikacija uglja. Ugalj je najrasprostranjeniji fosilni izvor energije i energenata. Na njegovoj primeni su u funkciji najsna niji jedini ni – parno – turbinski agregati, ali njegova intenzivna primena u lo tima (stotine hiljada megavata irom Planete) katastrofalno ugro ava ivotnu sredinu. Zato principijalna ema gasifikacije (i prelaska na istije i daleko efikasnije nove generacije gasnih turbogeneratora elektri ne energije, snage iznad 200MW po jedinici) kao i logi na posledica: o ivaljavanje primene Fischer – Tropsch-ove metode liquifacije uglja koja iz nje proisti e najmanje je to bi savremena civilizacija mogla ostaviti u nasle e generacijama koje dolaze. Ostaviti naftu kao plemenitu sirovinu za vitalne tokove procesne industrije , a okrenuti se uglju upotrebom istih tehnologija, kao visokoefektivnom rezervoaru energija i energenata uz najmasovniju podr ku i eksplataciju svih mogu ih alteranativnih izvora.
Slika: Principijalna ema gasifikacije uglja.
48
Gorivne elije na ugljenik (DCFC) Jo 1896. dr.W.Jacques je patentirao metod konvertovanja ugljenika u elektricitet. Oni su uspe no izvedeni tek 1973. na Stenford Univerzitetu. U toku ’90 napravljene su prve funkcionalne elije sa jedinjenjem NAOH kao elektrolitom, a za gorivo su koristile vrsti grafit. Danas postoji vi e pristupa u realizaciji ove tehnologije. Preovla uje re enje sa istopljenim ugljenikom kao elektrolitom, a kao gorivo su mogu e razli ite varijante pre enog (rafinisanog) uglja, gasa od uglja. Ina e to je neure enija kristalna re etka ugljenika, to se lak e osloba aju elektroni, i koeficijent korisnog deistva je ve i.
Slika: Osnovni princip DC gorivne elije koja direktno koristi ugalj kao gorivo.
Princip rada. DCFC gorivna elija generi e elektri nu energiju reakcijom ugljenika i kiseonika, i kao to je ve re eno to je ve i nered u strukturi re etke ugljenika, to je ve a elektri na efikasnost.
Slika: Princip rada DCFC gorivne elije.
49
Elektrohemijski procesi koji se odvijaju u DC gorivnim elijama su: Reakcija na katodi: Reakcija na anodi: Globalno gledano:
O2 + 2 CO2 à 2 CO32C + 2 CO32- à 3CO2 + 4e C + O2 à CO2
Slika: Presek i izgled DC gorivnih elija. Realna elija (60mm2). Oblik zase enog cilindra je izabran iz sasvim prakti nih razloga – zamene elektrolita usled zasi enja sa pepelom.
Slika: Mikroskopski presek elije. Grafik: Zavisnost napona elije i gustine snage u zavisnosti od gustine struje. Tabela levo: Iskori enje goriva i ukupna efikasnost DCFC – SARA (deklaracija proizvo a).
50
Grafik: Cena/kW prema gustini 2 snage kW/m za razne kvalitete uglja.
Slika: Odre ivanje globalne cene celog DCFC postrojenja.
Navedeni podaci o cenama odnose se na Ameri ke proizvo
e u 2004. godini.
Vrste goriva. Mogu a goriva koja koristi DFCF su: vrsta goriva (Carbon blacks, graphite, glassy carbones, cokes, even coal, woods and other biomass), te na goriva (benzin, dizel, kerozin i alkoholi) i gasovita goriva ( vodonik, prirodni gas i propan).
Slika: Op te usagla eni tehnolo ki put od sirovine do kona nog proizvoda prema zahtevu: maksimalna efikasnost transformacija, maksimalna ekolo ka odgovornost.
Energetski bilans. Reakcija ugljenik – kiseonik atraktivna je iz dva razloga. Najpre u okviru elektrohemijske reakcije u gorivnoj eliji ne de ava se skoro nikakva promena entropije. Ako do e do zna ajnijeg smanjenja entropije zna i da elija postaje sve vi e greja a manje elektrogenerator. U idealnom slu aju konverzija elektrohemijske energije ugljenika pri reakciji sa kiseonikom u gorivnoj eliji bila bi oko 100%! Druga karakteristika koja je zaintrigirala istra iva e je konstantnost elektro motorne sile! Maksimalan napon Eo ne degradira u procesu konzumiranja ugljenika, to zna i da protok goriva ne menja e.m.s.! Ako postavimo radnu ta ku u realni radni re im (struju os 100 mA/cm2) mo e se ra unati na 80% elektri ne efikasnosti. Gubici su uglavnom vezani za fenomene polarizacije na elektrodama i na unutra njoj otpornosti elije. Na duge staze gorivne elije se name u kao energetski agregati prvog izbora za konverziju unutra nje energije ugljevodonika i tzv. SYN gas, me avine H2, CO, CO2 i vode. Vodonk treba proizvesti koriste i obnovljive izvore energije i to e olak ati sam transver energije. SYN gas je osnovni proizvod gasifikacije uglja i biomasa, i on je obnovljiv izvor energije. U reakciji u kojoj se stvori vi e gasnih jedinjenja nego to se potro i, kao to je C(s) + ½O2(g) à CO(g)
(b1) 51
entropija raste, pa je S>0. To proizvodi iroke reperkusije za efikasnost elije u kojoj relacija (b1) defini e globalnu reakciju. Koeficijent korisnog deistva konverzije ukupne energije ( ) jedne elektro hemijske elije defini e se kao odnos slobodne energije ( G) i entalpije ( H) hemijske energije: ∆G η= (b2) ∆H G je maksimalna energija koja se mo e konvertovati u elektri ni rad, H je totalna hemijska energija uskladi tena u gorivu. Kao to smu generalnom razmatranju termodinamike gorivnih elija videli va i izraz H = G - T S , tako da ( ) mo emo izraziti i kao:
η=
∆H − T∆S T∆S =1− ∆H ∆H
(b3)
Kao je S > 0 i H < 0, to proizilazi iz (b1) iz relacije (b3) se dobija za koeficijent korisnog deistva vrednost ve a od 100% (ve a je od Carnotove vrednosti efikasnosti)! Taj slu aj je ve dobro poznat, ali i zanemaren da se u procesima sa S > 0 toplota mo e konvertovati u snagu sa efikasno u koja nadma uje Carnotovu vrednost. Ovaj proces u DCFC nije u suprotnosti sa drugim zakonom termodinamike, jer imamo slu aj procesa sa negativnom promenom entropije u interakciji sa procesom koji karakteri e pozitivna promena entropije. U grani nom slu aju reverzibilnog procesa rezultiraju a promena entropije je nula. Toplota transformisana u snagu je T S ( S > 0), a u jednoj standardnoj gorivnoj eliji proizvedena reverzibilna toplota je - T S ( S < 0). Vrednost i H i T S prora unate iz relacije (b3) za gas ugljenmonoksid date su u slede oj tabeli: T K 600 800 1000 1200
H kJ/mol -110.185 -110.949 -112.021 -113.245
T S kJ/mol 54.309 71.450 88.240 104.551
1.49 1.64 1.79 1.92
Jasno je da jedna zna ajnakoli ina snage koja raste sa porastom temperature proizvedena u DCFC dolazi do izraza T S. To predstavlja zna ajnu prednost gorivnih elija na ugljenik u odnosu na druge tipove gorivnih elija, i toplotnih ma ina uop te.
H
DCFC
Power
Q Slika: Blok ema energetske transformacije gorivne elije sa ugljenikom.
52
Teorijski maksimum energetske efikasnosti toplotne ma ine prema Carnotovom ciklusu dat je izrazom: T −T η= 1 2 T1 , gde su temperature respektivno: T1 na vrelom ulazu gasa u sistem, a T2 na hladnijm gasnom izlazu. Kako je o igledno T2
Slika: Konfiguracija DCFC sa rastopljnim ugljenikom.
Proizvedeni gas ugljen-monoksid je koristan za druge hemijske procese, npr. za proizvodnju SYN gasa, pa se ne mora koristiti kao gorivo u DCFC. U DCFC kao na prethodnoj slici, u istopljenom ugljeniku su mogu e slede e reakcije na anodi: C + CO32- à CO + CO2 + 2e-
(b7a)
C + 2 CO32- à 3CO2 + 4e-
(b7b)
to zavisi od radne temperature elije i od potencijala. Specifi na uloga upotrebljenog rastopljenog ugljenika jeste da izvr i kataliti ko deistvo i ubrza oksidaciju estica uglja kao goriva
Slika: Blok ema DCFC sa SOFC i tipom elektrolita YSZ.
53
Gasifikacija uglja sa SOFC. Razmatra se i primena SOFC tehnologije za ostvarivanje ideje DCFC. Ovde je sasvim drugi elektrolit YSZ (ytria stabilised zirconia), koji je veoma dobar O2- provodnik (10Sm-1) na veoma visokim temperaturama 700-1000°C. Ovde su reakcije na anodi date relacijom C + O2- = CO + 2e- . Prve testove na ovoj konfiguraciji, u novije vreme, izvr ili su Nakagawa i Ishida. I u ovom slu aju gasifikacija uglja kao goriva je sastavni proces same elije.
Slika: ematski prikaz intagrisanog sistema za gasifikaciju uglja i oksidaciju CO u gorivnoj eliji DCFC sa YSZ kao elektrolitom.
Toplotna energija proizvedena na anodi u elektrodnoj reakciji C + O2- = CO + 2e iskori ena je za internu gasifikaciju prema C + CO2 à 2CO bez dodavanja energije spolja u posebni gasifikator i bez dodatnih gubitaka. Prakti no se ovaj postupak mo e pretvoriti i u novi naziv same elije ICGFC (interna ugljena gasifikacija u gorivnoj eliji). Ako iskombinujemo oblike prethodna dva primera, sublimiramo dva sistema gorivnih elija u jedinstven novi, ima emo slede e reakcije C +½O2 = CO
E0(650°C) = 1004mV
(b8)
CO + ½O2 = CO2
E0(650°C) = 1048mV
(b9)
na ugljeni noj anodi i na Co anodi respektivno. Prakti no realizovana gorivna elija, bazirana na ovoj ideji je ustvari tubularna Westinghouse konstrukcija SOFC (100KW), sa izmenama kao na slede oj slici:
Slika: ematski prikaz intagrisanog sistema za gasifikaciju uglja i oksidaciju CO u gorivnoj eliji sa YSZ kao elektrolitom sa jedne strane i istopljnim ugljenikom sa druge.
Ako se iz bilo kojeg razloga desi da CO ne bude aktivan na anodi, elektrohemijske reakcije e se ipak pokrenuti kod startovanja sistema sa prethodne slike. Ako je inicijalno ne to kiseonika prisutno u gasifikatoru on e reagovati sa gorivom (biomasa, ugalj). Ako je ova reakcija dovoljno brza do i e do smanjenja parcijalnog pritiska kiseonika u gasifikatoru u odnosu na atmosferski pritisak. Tako se stvara gradijent koncentracije O2 za prolazak kroz YSZ cevnu strukturu. Prema tome, pokreta ak sila za 54
transver kiseonika kroz cevasti oksid elektrolita je generisana. Ta aktivnost proizvodi potencijalnu razliku (e.m.s.) na anodi i katodi. Pokazano je da DCFC za koje je karakteristi no S > 0 imaju markantne termodimnami ke prednosti u odnosu na konvencionalne gorivne elije i toplotne ma ine (koje karakteri e S < 0). Iznad svega DCFC su sistem sa samoregulacijom i sa mogu no u da im efikasnost prevazi e Carnotov linit. Istopljne soli kao elektrolit mogu poslu iti kao osnov za razvoj tehnologije DCFC. Lako je zaklju iti kakve sve prednosti pru a sistem gde se ugalj interno gasifikuje, a iza toga elektrohemijski transformi e. Zato se na planiranju na du e staze obavezno mora ra unati na sisteme u kojima se “sirovo” gorivo uvodi u proces i od njegove toplotne energije dobija na izlazu elektri na energija i SYN-gas. Konstrukcija iju smo koncepciju naglasili, integrisana ugljeni na gorivna elija koja sadr i gasifikator na bazi istopljenog ugljenika i MCFC ili SOFC, name e se kao tehnologija izbora za simultanu proizvodnju toplotne energije, elektri en snage i SYNgasa.
Slika: Stek od dve ugljeni ne gorivne elije DCFC.
Ove gorivne elije testirane su u vi e verzija . Za tipove MARK II i MARK III na slede im slikama su prikazani grafici radnih karakteristika vezanih za ukupnu radnu povr inu elektrolita. Ve a elija prouzrokuje znatno ve e gustine struje.
Slike: Zavisnost gustine stuje u DCFC od efektivne povr ine elektrolita, i od veli ine protoka oksidanta..
55
Vodonik kao “gorivo”
V
jjjj odonik je najlak i i najzastupljeniji element u celom kosmosu, on ….. ini 90% svega to postoji. Na zemlji je tre i najzastupljeniji element, i nalazi se u vodi i svim organskim materijama. Vodonik postoji normalo u gasnom stanju, bezbojan je, nema ni mirisa ni ukusa, i nije toksi an. Na slede oj tabeli dat je uporedni prikaz energetske mo i gorivnih medijuma za termo cikluse i cikluse gorivnih elija.
tipi nih
GUSTINA ENERGIJE GORIVNI MEDIJUM (g- gas
fl-fluid, te nost)
PREMA ZAPREMINI (kWh/L)
PREMA TE INI (kWh/kg)
BENZIN (fl)
9.43
13.33
METAN (g/250 bara)
11.06
15.42
METANOL (fl)
5.05
6.37
VODONIK (MgH2)
4.42
3.06
VODONIK (MetalHidrid)
0.60
0.20
VODONIK (fl / -273ºC)
2.78
40
VODONIK (g/300 bara)
0.88
0.66
OLOVNI AKUMULATOR
0.06
0.03
1kg vodonika sadr i odprilike istu energetsku vrednost kao i 1 galon (bure) benzina.
Kada se ist vodonik koristi kao gorivo gorivnih elija, efekasnost sistema je najve a. Tada se kao produkt dobija voda i osloba a toplota. Kori enjem svih drugih supstanci bogatih sa njime smanjuje celokupnu efikasnost sistema, i pored vode i toplote mogu jo da imaju minimalnu emisiju i nekih drugih supstanci. Vodonik mo e da pokre e i dana nja konvencionalna vozila sa motorima na unutra nje sagorevanje i to uz njihove minimalne modifikacije. Tada on sagoreva u pravom smislu te re i (u gorivnoj eliji ne sagoreva ve hemiskim putem proizvodi struju pa je zato efikasonst ve a). Kada gori samo sa kiseonikom, osloba a energiju u obliku toplote i jedni produkt je voda bez ikakvih tenih materija. Pri gorenju sa vazduhom, dobijaju se i neki teni oksidi (NOx), ali u mnogo manjoj meri nego pri sagorevanju bezina, dizela ili prirodnog gasa. Po to ne sadr i ugljenik ipak se ne osloba aju ugljen-monoksid i ugljen-dioksid, i na taj na in ne uti u na globalno zagrevanje planete. 56
Tako e vodonik mo e da zameni dans naj e kori eni preirodni gas za grejanje domova. Vodonik se u industriji intenzivno koristi za proizvodnju amonijaka, metanola, benzina, raketnog goriva,… Tako e se koristi za proizvodnju ve ta kog ubriva, stakla, vitamina, kozmetike, poluprovodni kih kola, sapuna, sredstva za enje, pa ak i margarina i putera. Proizvodnjom vodonika iz uglje-vodonika mogu se dobiti ugljeni na vlakna koja su ak oko 10 puta ja a od elika… Dobijanje vodonika. Vodonik se danas naj e dobija u rafinerijama iz foslinih goriva (prirodnog gasa, ugalja, nafte), kao i iz bio-goriva razli itim tehnolo kim postupcima. Tako e se dobija elektrolizom vode. Elektroliza vode je vrlo jednostavan hemiski proces. U vodu se stave dve elektrode, anoda i katoda koje su povezane sa elektri nim izvorom jednosmerne struje (anoda vezana za pozitivan kraj izvora, a katoda za negativan). Kroz vodu se zatvora strujno kolo i uspostavlja elektri na struja. Kao posledica obrazovanja jona na spoju elektroda i vode na katodi e se oslba ati vodonik a na anodi kiseonik. Evo jednog vrlo jednostavanog na ina za demonstriranje ovog jednostavanog procesa. Sve to je potrebno je baterija, recimo neka ja a npr. 9V, ne to malo ice, dve olovke (zao trene na oba kraja) i posuda sa vodom. im se olovke prika e na bateriju (preko grafita kao provodnika) , a naravno njihovi vrhovi su potopljeni u vodi, na njima e po eti da se stvaraju mehuri i. Na olovci koja je povezana na pozitivan pol baterije tj. anodi osloba e se kiseonik, a na negativnom kraju tj. katodi vodonik.
Slika: Jednostavan na in demonstriranja elektrolize, tj. dobijanja istog vodonika i kiseonika.
Princip elektrolize - dobijanje H2 i O2 iz vode propu tanjem struje kroz elektrode.
Za masovniju proizvodnju vodonika na principu elektrolize danas se koriste elektrolzeri, ure aji koji su po principu i konstrukciji jako sli ni gorivnim elijama, ako ne ak i isti kada je gorivna elija reverzibilna (tada gorivna elija) mo e da radi u oba smera – dovo enjem vodonika i kiseonika generi e se struja, a tako e i povezivanjem njenih krajeva na izvor elektri ne energije generi u se vodonik i kiseonik).
Slika: Regenerativna gorivna elija od 2W, radi i kao elektrolizer i kao gorivna elija.
Slika: 15 kW PEM electrolyzer koji radi pri pritiscima do 400psi vodonika i kiseonika.
57
Slika: H2-40XR Hydrogen Generator, proizvodi 40ml vodonika u
minuti pod pritiskom od 35psi, koriste i obi nu destilovanu vodu. Opremljen je sopstvenim transformatorom tako da mo e da radi na razli itim naponima irom sveta. Po to skladi ti samo 160-250 ML/s vodonika izbegnuta je mogu noat eksplozije. Dobijeni vodonik je 99.5% isto e. Ulazni napon: 100-240V AC ili 12V DC, struja 6.4A, dimenzije ure aja su 8.5"x 9.2"x 9", cena 2.795$.
Za dobijanje 1kg vodonika elektrolizom potro i se otprilike oko 50kWh sa efikasno u od 70%. Tako e se dosta energije potro i i za komprimovanje dobijenog vodonika. Pritisak od 5.000psi se pokazao kao najbolji balans izme u cene i efikasnosti. Za sabijanje 1kg vodonika na taj pritisak potrebno je ulo iti 5 - 7.5kWh elektri ne energije, a za sabijanje jo na 7.000psi potrbno je 15% vi e elektri ne energije. Vodonik se naj jeftinije mo e proizvoditi iz obnovljivih izvora, kori enjem sun eve energije i energije vetra. Vetro-generatori i solarne elije generi u struju pomo u koje elektrolizer proizvodi vodonik koji se dalje skladi ti u rezervoare ili direktno predaje potro u.
Slika: Princip kori
enja vodonika iz obnovljivih izvora energije (solarnih elija, vetro generatora, mikro turbina... )
Ina e sve komercijalne elektrolize zahtevaju to je mogu e istiju vodu, jer to je njena ne to a ve a e se menjaju filteri. Ve ina komercijalnih elektrolizera koristi PEM princip (isti onaj koji se koristi u gorivnim elijama), i ako voda koja se razla e ne bi bila dejonizovana sistem bi se brzo zapu io. Jedini na in da se koristi morska voda za elektrolizu je da se prethodno destiluje. U Sjedinjenim Ameri kim Dr avama danas se ve ina vodonika dobija iz prirodnog gasa steam reformingom, otprilike 4 miliona kilograma dnevno za prodaju i jo 7.1 miliona kilograma dnevno na licu mesta za razne tehnolo ke potrbe prozvodnje . Ina e u celom svetu dnevno se upotrebi vi e od 103 miliona kilograma vodonika. Sve su zastupljeniji i projekti o proizvodnji vodonika na malopre pomenuti na ina iz obnovljivih izvora energije. 58
Skladi tenja vodonika. Vodonik se do skora skladi tio pod pritiskom u metalnim tankovima, koji su bili mnogo te ki. Za skladi tenje 3kg vodonika pod pritiskom te ina tanka je iznosila i do 400kg, to je vodonik kao gorivo isklju ivao iz upotrebe kao neprakti no “te ko uskladi ten”. Danas se tankovi za skladi tenje vodonika pod pritiskom prave od ugljeni nih vlakana i nemaju veliku masu, a ak su i do 10 puta izdr ljivija od elika. U tom kontekstu Ameri ka vlada odobrila je kori enje vodoni nih tankova do pritiska od 5.000psi, a Nema ka do 10.000psi. Nedavno je kompanija Dyntec Industries razvila tank za 12.500psi za koji se o ekuje da bi u Americi trebalo da dobije sertifikat bezbednosti u naredne dve godine. Trenutno neki automobili na gorivne elije koje tro e vodonik poseduju tankove i od 10.000psi (Fored Model U, i GM Hy-Vire). Slika desno: Predstavnik QUANTUM Tec. na konferenciji za tampu objavlju i partnerstvo sa General Motorsom podi e njihov novi lak i H2 tank...
Slika: Tank za 32l vodonika visokog pritiska (700bara) od ugljeni nih vlakana.
Slika :Novi QUANTUM-ov tank visokog pritiska od ugljeni nih vlakana (5.000psi) za skladi tenje komprimovanog vodonika, sa unutra njim senzorima za detekciju prevelike temperature i pritiska .
Slika gore: Ugljeni ni tank za vodonika visokog pritiska od 650bara (10.000psi). Izdr ljivost do 1.800 bara (28.000psi). Mo e da se koristi 12.500 punjenja.
Slika : Tank kori en u HONDINOM vozilu na gorivne elije.
59
Skladi tenje vodonika u obliku jedinjenju NaBH4, koje ina e predstavlja bezopasnu hemikaliju sli nu sapunu. Nije zapaljiva i eksplozivna, a uva se u plasti nim posudama na sobnoj temperaturi i pritisku. Posebnom katalizom izdvaja se vodonik za potrebne u odre ene svrhe, i kao otpad se dobija NaBO2 koji je mogu e ponovo upotrebiti “za punjenje vodonikom” i pravljenje NaBH4. Ovim postupkom je mogu e dobiti 100% “vla an” vodonik, to je kriti no za vek gorivnih elije.
Pumpa za gorivo
Kataliti ka komora za izdvajanje vodonika
Odvaja za te nost i gas
H2
1
NaBH4
NaBO2 NaBO2
povratni tank
Hladnjak
Gas vodonik + para
1
Izmenjiva toplote
Ovla eni vodonik
Gorivna elija ili vodoni ni motor
Slika:Princip izdvajanja vodonika ako je uskladi ten u NaBH4. Slika:Princip izdvajanja vodonika ako je uskladi ten u NaBH4. Slika:Princip izdvajanja vodonika koji je uskladi ten u NaBH4.
Vodonik u pilulama. Kompanija Amineks je predstavila svoj revolucionarni na in skladi tenja vodonika uz pomo njegovog vezivanja za molekule specijalnog katalizatora. Katalizator vezuje vodonik u odnosu 1 prema 10, to zna i da patrona od 100g sadr i 1kg vodonika. ta vi e proces je reverzibilan, i patrona koja se istro i mo e ponovo da se iskoristi. Punjenje se obavlja brzo, a katalizator se proizvodi od jeftinih sirovina.
60
Bezbenost kori enja vodonka. Vi e deceniski zastoj u razvoju vodonika kao goriva bio je posedica doskora njeg mita o njegovoj lo oj bezbenosti kojoj je dosta doprinela i eksplozija luksuznog cepelina Hinderburg jo davne 1937. Ali uzimaju i u obzir pravi uzrok ove nesre e i novija ispitivanja pona anja vodonika u razli itim situacijama danas po inje polako da se menja ovaj stav. Tako e nedavno su izmi ljeni i razni tehnolo ki postupci skladi tenja vodonika (pomenuti pre u tekstu) koji ga ine jo bezopasnim. Neki smatraju da je vodonik opasan, ali ako se sa njim rukuje na odgovaraju i na in, ceo njegov ivotni tok mo e da bude mnogo manje opasan od ivotnog veka nekih drugih konvencionalnih goriva (benzina i prirodnog gasa).
Slika: Nesre a luksuznog Nema kog cepelina Hidenburg (punjenog vodonikom) na Lejkhurstu u N.J. maja 1937. bila je jedna od uzro nika u zastoju razvoja vodonika kao goriva.
Skora nja rekonstrukcija nesre e pokazala je da vre e vodonika koje su obezbe ivale uzdiznu silu cepelinu nisu bile glavni uzrok vatre. Povr ina letelice bila je prekrivena kombinacijom dve komponente, oksidom metala i refleksivnom aluminijumskom farbom, koje su izuzetno zapaljive i gore velikom brzinom. Smatra se da je njih zapalilo elektri no pra njenje sa oblji njeg oblaka prilikom pristanka letelice na dok. Kasnije je oslobo ni vodonik brzo izgoreo visoko iznad cepelina. Ovo je dokazano hemiski i demonstrirano ezdeset godina kasnije sa materijalima od prvih ostataka Hinderburga. Zna i da je glavni uzrok nesr e bio lo e uskladi ten vodonik. Vodonik je manje zapaljiv od benzina. Njegova temperatura samozapaljivanja je 550ºC, to mo e da bude znatno vi e od one za benzin koja iznosi od 228 ºC do 501 ºC u zavisnosti od njegovog stanja. Kada se ispusti iz rezervoara (desi se neka havarija) vodonik se brzo me a sa vazduhom i po to je lak i od njega di e se i iri u atmosferu. I zbog toga to se brzo razi e, jako su male anse da se zapali. 61
Zbog sve intenzivnijeg kori enja vodonika kao goriva, danas se u labaratorijama vr e razni testovi njegve bezbednosti. Jedna od njih je prikazan na slede oj slici.
nnnn
Slika: Testiranje eksplozije vodonika (inicijalizovane u unutra nosti rezervara), i uticaja zida na njeno ubla avanje, a tako e pokazuje koliko brzo vodonik sagoreva.
n
Ovaj slu aj paljenja vodonika unutar rezervoara je manje verovatan. Obi no je mogu e da do e do njegovog isticanja, i paljenja spolja, kada gori uspravno i isto tako jako brzo.Sa druge strane ako se posmatraju danas kori ena goriva, pare benzina, dizela i prirodni gas su te i od vazduha i nerazilaze se tako brzo u okolnu atmosferu kao vodonik, ostaju i na mestu havarije dosta du e vremena kao potencijalna opasnost. Tako e treba re i da paljenje i eksploziju vodonika ne treba me ti sa vodoni nom (hidrogenskom) bombom, koja je potpuno ne to drugo. Hidrogenska bomba izaziva nuklearnu eksploziju zbog promene u samoj strukturi jezgra vodonikovih atoma u njoj, specijalnim dugotrajnim postupkom. (O bezbednosti vodonika e biti jo re i ne to kasnije kod primene g. . u vozilima.) Cena vodonika. Vodonik je trenutno dosta skuplji od benzina, na prvom mestu zbog mnogobrojnih poreskih povlastica koje imaju naftne kompanije. Ali poslednjih godina cena nafte i njenih derivata neprestano sve vi e raste, za razliku od novih tehnologija me u kojima je i “ekonomija vodonika”, kojim cene vremenom polako opadaju kako postaju sve zastupljenjiji. Ina e stvarna cena vodonika prvenstveno zavisi od na ina njegove proizvodnje. Doskora najjeftiniji na in je bio prerada prirodnog gasa – steam reforming. Ovaj postupak se satoji u grejanju metana pod pritiskom u prisustvu katalizatora. Kada je cena prirodnog gasa bila 2$ po MMBtu (Milion Btu) vodonik je proizvo en u rafinerijama za 0.96$ po kilogramu. 2005. godine, cena prirodnog gasa je porasla na 13$ po MMBtu, sa proporcionalnim rastom cene vodonika (6.24$ za 1kg). Danas je najjeftiniji na in njegove proizvodnje elektrolizom vode, kori enjem struje iz vetro generatora i solarnih elija, u koje je potrebno ulo iti samo pri njihovom instaliranjua. Distribucija vodonika. Ne postoje rasprostranjeni kanali za distribuciju vodonika irokim masama.Prevozi se u cisternama, a mo e se koristiti i postoje i gasovod. Ipak, potrebno je dosta ulo iti u izgradnju nove infrastrukture za njegovo masovno kori enje.
62
Gorivna elija kao elektri ni generator Postrojenja sa gorivnim elijoma kao generatorima predstavljaju slo ene sisteme koji se sastoje iz vi e razli itih modula od kojih svaki ima odre enu specifi nu funkciju. neiskori
kiseonik
Gorivo
jednosmerna struja (DC)
vodonik Reformer
eno gorivo
Stek G
DC / DC
neizmeni na struja (AC)
(KW/MW)
DC / AC
Toplota
Elektrohemiski generator
voda
modul energetske transformacije
toplota
Slika: Blok ema postrojenja sa gorivnom elijom kao generatorom
Gorivne elije koriste vodonik kao gorivo. Reformer (fuel processor)vr i pre avanje i izdvajanje vodonika iz gorivnih jedinjenja. Reformer mo e biti interni tj. inegrisan ili eksterni. Kod ode enih vrsta gorivnih elija ulazna elektroda iz goriva direktno uzima (izvaja) vodonik neophodan za rad (npr. iz metanola), i tada nije neophodan dodatni eksterni pre ava . Kada se kao gorivo koristi ist vodonik sistem postaje znatno jednostavniji i efikasniji. Slede i, i glavni moduo ini elektrohemijski generator, tj. stek seriski povezanog ve eg broja gorivnih elija. Svaka elija daje napon ne to manji od 1V, a njihovim paralelnim vezivnjam dobija se napon pogodan za prakti nu upotrebu. Stek sa jedne strane iz goriva uzimaju vodonik potreban za rad, a sa druge kiseonik (naj e iz vazduha). Kao produkt se generi e struja, voda i toplota. Jednosmerna neregulisana struja dobijena iz elije se u modulu za energetsku transformaciju i prilago enje transformi e u neizmaeni nu struju, pove ava se napon i frekvencija po potrebi potro a. Stekom se naj e realizuju standardni industrijski jednosmerni (DC) naponi 12, 24, 48, 60V. U jakim instalacijama posti u se naponi i do 200V DC, da bi se posle u invertorskom stepenu generisali sinusni oblici napona i frekvencije prema normi potro a.
Slika: 2.5KW stek gorivnih elija.
Slika desno: 2.5KW DC/DC konvertor (100-400v).
63
Danas se sistemi sa stekovima gorivnih elija ve koriste za konstrukciju mnogih raznih modula za napajanje, po ev od najmanjih mogu ih baterija, preko malih mobilnih sistema za napajanje neizmeni nom strujom (agregata) preko ve ih kompleksnijih, sve do elektrana za proizvodnju elektri ne energije od nekoliko MW .
Elektri na efikasnost
Primena gorivnih elija u energetici. U ovoj oblasti gorivne elije se kao i svi drugi alternativni izvori energije koriste za sada uglavnom kao sistemi manjih snagae (do 2MW), mada ve se uveliko razmatraju projekti koji dosta prevazilaze ove granice. Na slede oj slici dato je pore enje efikasnosti razli itih vrsta generatora (elektrana).
Slika: Pore enje efikasnosti elektrana (generatora) razli itih snaga.
Snaga elektrane u MW
Trenutno je na tr tu elektrana sa gorivnim elijama najzastupljenija tehnologija molten Ona je ispred svih drugih to se ti e aktivnosti kompanije FuelCell Energy, Inc koja je jedan od vode ih proizvo a u ovoj oblasti. Njihov najmasovniji proizvod je DFC-300, elektrana na gorivne elija snage 250kW ija se cena instaliranja kre e od $3.200-3.500/kW. Tako e u ponudi imaju i DFC-1500 i DFC-3000, elektrane na gorivne elije respektivno snaga od 1MW i 2MW ije su cene instaliranja po kW ne to ni e. carbonate FC.
Slika: DFC-300 elektrana sa gorivnim elijama Slika: DFC-1500 elektrana sa gorivnim komapanije FuelCellEnergy. Koristi direktno prirodni snage 1MW komapanije FuelCellEnergy. gas bez internog reformera. Jedinica ima opseg od 250kW do 2MW.
elijama
64
Kao i FuelCell Energy, tako e su se i neki drugi konkurenti, kao to su GenCell Inc., IHI i MTU tako e vi e opredelili za tehnologiju molten carbonate FC.
Sa druge strane 2005. broj jedinica phosphoric acid sistema se vi e nego prepolovio u odnosu na 2004. posmatraju i proizvodnju kompanija Fuji Electric, Korea Gas i UTC fuel cells. Od ovih sistema najbolje se pokazala i najzastupljnija je elektrana PureCell-200 (poznatija kao PC-25), koja snabdeva elektri nom energijom vi e hiljada razli itih objekata irom sveta. Ona se projektuje za snage od nekoliko stotina kW do 2MW (kada ra i vi e jedinica paralelno). Slika: DFC-3000 elektrana sa g. . snage 2MW komapanije FuelCellEnergy.
Slika: ONSI TOSHIBA PC25 elektrana na gorivne elije.
PC-25 kao gorivo koristi prirodni gas i kiseonik iz vazduha za proizvodnju elektri ne energije. Po to joj je radna tempratura od 150-200°C oslobo ena toplota mo e da se koristi za kogeneraciju, tj. zagrevanje vode i prostorija objekta kada je efikasnost celog sistema oko 80%, dok je efikasnost samo generisanja elektri ne energije od 37-42%. 65
Kao i drugi sistemi sa gorivnim elijama, i PC-25 nezaga uje okolinu; ona neispu ta ni ta drugo osim istu vodu i ne to ugljendioksida (Kada se kao gorivo ne koristi ist vodonik). to se ti e Solid oxide FC tehnologije, na nju imaju fokus uglavnom Japanske kompanije. Ina e, PEM gorivne elije se prave jo uvek samo u malom broju test jedinica. Za sada izgleda da jedino UTC Fuel Cells razvija tehnologiju proton exchange membran Slika: ematski prikaz rada elektrane PM-25. gorivnih elija za sisteme od 250kW. Druge kompanije neidu dalje od 10kW za ovu vrstu tehnologije. Ovde je izuzetak General Motors, jer je njihov glavni fokus na automobilski sektor. Jedan interesantan razvoj u velikim stacionarnim elektranama je razvoj hibridnih sistema,tj. kombinacije paralelnog rada gorivne elije i gasne tubine. U ovoj oblasti zna ajna dostignu a imaju kompanije FuelCell Energy (MCFC), GE Energy (SOFC), RollsRoyce (SOFC) i Siemens Westinghouse (SOFC). Ovi hibridni sistemi imaju bolje iskori enje oslobo ene toplote, i bolje ukupno iskori enje. FuelCell Energy razvija sistem DFC/T kojiji je hibridni sistem Direct Fuel Cell (DFC) kombinovan sa gasnom turbinom. Na ovaj na in gorivna elija proizvodi etiri petine ukupne proizvedene elektri ne energije, turbina proizvodi ostatak isori avaju i oslobo enu toplotu u g. . tako da se efikasnost sistema pribli ava 70% a sa ve im sistemima i do 80%.
Slika: ema hibridnog sistema kompanije FuelCell Energy koji pored gorivne elije koristi i gasnu turbinu (generator) za iskori enje oslobo ene toplote u gorivnoj eliji. .
66
Ista kompanija razmatra mogu nosti izgradnje mnogo ve ih elektrana od 40MW pa do ak 200MW koje bi radile tako e na ovom hibridnom principu.
Slika: Dizajn 40MW hibridne elektrane (DFC/gasna turbina) kompanije FuelCell Energy. Sa injena je od 10 DFC jedinica gorivnih elija i 10MW gasne tubine.
Evo sada prikaza zastupljenosti odre enih vrsta sistema sa gorivnim elijama u poslednjih par godina, geografske raspodeljenosti njihovih instalacija irom sveta i naj e vrste goriva koje koriste.
\
\
Slika: Broj instalacija elektrana sa gorivnim elijama u 2005. irom sveta.
\
Slika: Zastupljenost razli itih tehnologija gorivnih elija u periodu od 2003 do 2004 .
Slika: Zastupljenos razli itih vrsta gorivan koje koriste ove elektrane na gorivne elije.
Kao to je ve ranije re eno elektrane na gorivne elije provereno napajaju razli ite objekte irom sveta obezbe uju i ili njihove celokupne potrebe za elektri nom energijom i u najve em broju slu aja i grejanja prosorija i vode, ili obezbe uju i njihove delimi ene potrebe, ili rade i kao sastavni deo lokalne elektri en mre e. 67
Zgrada “Time 4 Square“ u New Yorku visoka 48 spratova, jedan je od novijih Njujor kih oblakodera predstavnik Geen Power-a. Ona poseduje dva 200kW generatora na gorivne elije koji kao gorivo koriste prirodan gas, obezbe uju i 100% danono no snabdevane elektri nom energijom celokupnog objekta bez ikakvog zaga ivnja okoline. Jedini produkti, pored elektri ne energije su jo ugljen dioksid i topla voda, koja se koristi u zimskim preriodima kao pomo zagrevanja prostorija, i naravno kao proto na topla voda u vodovodnom sistemu zgrade. Zgrada sadr i i integrisane fotonaponske elije koje su sme tene sa ju ne i isto ne strane, koje daju i do 15kW elektri ne snage. Panorama na Time 4 Square , zgradu u New Yorku (najvi a na slici) koja se kompletno 24 asa napaja iz dve sopstvene elektrane PM-25 na gorivne elije. ______Fotonaponske elije
generatori sa gorivnim elijama (nalaze se na etvrtom spratu)
Slika: Skica zgrade i polo aj PM-25 generatora u njoj.
Slika levo: eraton hotel u New Yorku.
Slika desno: Instalirane elektran na gorivne elije tipa DFC® od 250kW za potrebe eraton hotela u NY. Vrednost projekta je 1.840.000$ (2002). Ovo je ina e tre a primena gorivnih elija u lancu hotla eraton irom Amerike.
68
Slika: Elektrana sa gorivnim elijama u RWE, Essen daje 250kW elektri ne snage i 180KW termalne. Slika dole: 250kW elektrana na MC gorivne elije obezbe uju elektri nu energiju i toplotu za Guericke University u Magdeburgu, Isto na Nema ka. Po ela je sa radom u oktobru 2002. godine.
Slika desno: 200kW PC25 elektrana na gorivne elija sa fosfornom kiselinom u Central Park-u u New Yorku. Slu i za snabdevanje elektri nom energijom Njujor ke policijske stanice. Instalirana 1999.godine, privukla je pa nju tokom nestajanja elektri ne energije septembra 2003.godine.
69
Slika gore: PC25C kori en za potrebe Ameri ke vojske. Ukupna procenjena iskori enost ~75%.
Slika: etiri 200kW sistema gorivnih elija PC25Cs ine primarni sistem napajanja zgrade First Nacional Bank Omaha, USA.
Godi nja u teda el.en.: $65,000 Termalna u teda: $15,000 Ukupna u teda: $80,000 Cena isko. pri.gasa: ($38,000)) NETO godi nja u teda: $42,000
Za period (9/16/1997 - 11/30/02): Sati rada 35,497h Ukupni el. izlaz 6,345 MWhrs Prose an izlaz g.celije 178.8 kW Raspolo ivost 77.8%
Slika gore: Sedamdeset pet povezanih gorivnih elija obezbe uje elektri nu energiju mre i u Long Island Power Authoriti podstanici. Instalirane su 2001.godine. Slika gore: Elektrana sa gorivnim elijama koju ini pet gorivnih elija PC25s. U Anchorage na Aljasci obezbe uje elektri nu energiju glavnih po tanskih hangara za sortiranje.
Slika: Simens Westinghouse 220kW SO FC hibridna elektrana sa gasnom turbinom, instalirana u Southern California Edison.
Slika: est 200kw PC25s jedinica obezbe uje elektri nu energiju za Juvenile Traning klu u Connectic-u, USA od 2001. godine.
70
Slika: IHI(Japan) 300kw elektrana sa gorivnim elijama na bio gas. Slika: Tokom 1990’tih 14 Fuji Electronic 50kW jedinica (PA gorivnih elija) davalo je elektri nu energiju u Kansai, Japanu.
Slika: Simens Westinghouse 250kW elektrana sa solid oxide gorivnim elijama u toku njenog pravljenja i testeiranja. Instalirana je na Mississauge univerzitetu u Torontu, Kanada, Slika: DFC 300 (250kW)elektrana sa gorivnim elijama. Koristi krajem 2003. direktno prirodni gas bez internog reformera za proizvodnju vodonika. Snabdeva sa 250kW Hotel Sheraton u Parsippany, New Yersy, USA. Slika levo: 100kW elektrana na gorivne elije sa fosfornom kiselinom (PA FC) instalirana je i radi u fabrici Fuji elektronic’s u Japanu jo 2001. godine.
Slika gore: PC25 napaja bolnicu vazdu ne baze Ameri ke vojske u Bosseru. Ukupna procenjena iskori enost ~90%. God. u teda el.enregije: $76,000 Termalna u teda: $9,000 Ukupna u teda: $85,000 Cena isko. pri.gasa: ($45,000)) NETO god.u teda: $40,000 71
Slika: King County's South Treatment elektrana u Rentonu od 1MW koristi prirodni gas za proizvodnju elektri ene energije dovoljne za snabdevanje 800 domova, bez ikakvog zaga ivanja okoline. Tako e proizvodi elektri nu energiju za svoje potrebe. Oslobo ena toplota se koristi za grejanje domova i proto ne vode. Ovaj demonstracioni projekat ko tao je ne to vi e od 20mil. $.
Slika: OAK Ridge National Laboratory je kupio 200kW-nu elektranu na gorivne elije PC25 i instalirao u National Transportation Research Ccentru (NTRC) u Knoxville, Tenesi, USA. Toplota je kori ena za snabdevanje zgrade toplom vodom, i grejanje prostorija. Tako je smanjena potreba za prirodnim gasom koji je ina e kori en samo za grjanje. Cena elektrane je bila 1.500.000$ (???? godine).
Slika dole: PC25 kori en za potrebe Ameri ke vojske u Port Hueneme-u Kalifornija. Elektri na energija se koristi za napajanje baze, a temalna za grejanje bazena. Ukupna procenjena iskori enost ~92%. God. u teda el.enregije: $94,000 Termalna u teda: $19,000
Cena isko. pri.gasa: ($40,000) NETO god. U teda: $73,000
Slika gore: PC25C napaja deo Ameri ke vazdu ne baze Davis-Monthan u Tucson-u, Arizona. Ukupna procenjena iskori enost ~65% God. u teda el.enregije: $103,000 Termalna u teda: $3,000 Ukupna u teda: $106,000 Cena isko. pri.gasa: ($45,000)) NETO god. U teda: $61,000 Za period (10/14/1997 - 1/31/2002): Sati rada 26,462 Ukupni el. izlaz 4,513 MWhrs Prose an izlaz gorivne celije 170.6 kW Raspolo ivost 71.5%
72
Pivara Sierra Nevada u Kaliforniji koristi 1MW-nu kogeneracijsku elektranu na gorivne elije. Ceo sistem se sastoji od etiri 250kW jedijice DFC-300 kompanije FuelCellEnergy, koje obezbe uju ve inu elektri nih poterba ove fabrike piva (oko 90%). Tako e su dodane jedinice za “povra aj” oslobo ene toplote pri radu gorivnih elija i na taj na in smanjuju potro nju koju elektrana tro i za potrebe proizvodnje elektri ne energije.
Pivara Sierra Nevada u Kaliforniji
Bibilioteka EDEN PRAIRIE u Minesoti, USA je ponovo otvorena Avgusta 2004. Struju i toplotu obezbe uje sistem gorivnih elija koji daje 5kW elektri ne energije to je dovoljno za snabdevanje uobi ajenog tipi nog doma instva. Biblioteka Eden Prairie u Minesoti
Sistem gorivnih elija koje biblioteka koristi za snabdevanje elektri nom i termalnom energijom.
Ovaj program bi trebao da u tedi 80kW elektri nih potreba godi nje. To je oko 236kW, to zadovoljava potrebe 30 doma instava. Takop e kogeneracija, tj. kori enje osolobo ne toplote za grejanje bi trebalo da u tedi oko 560 MCF (1,000 cubic feet) prirodnog gasa, to je dovoljno za grejanje 7 domova. Sve zajedno godi nja u teda je oko 82.000$.
73
Ku e na gas. Matsushita Electric, EBARA Ballard Corporation, kao i mnoge druge kompanije rade na razvjanju sistema kori enja gorivnih elija u svakodnevnim doma instvima.Sistem se koriti kako za njihovo snabdevanje elektri nom energijom tako i za kogeneraciju (grejanja vode i prostorija) sa u tedom od 35% utro ene energije u odnosu na konvencinalne na ine snabdevanja elekti nom energijom i gasom za grejanje.
Elektri na energija
Prirodni gas (1) Sistem gorivnih elija sa kogeneracijom (2) Sistem za povezivanje elektri nog izlaza gorivne elije sa priklju kom klasi ne elektri ne mre e. (3) Prijemnici elektri ne energije. (4) Elektri na razvodna tabla u ku i.
Gorivna elija Matsushita Electric
Performanse
Gorivna elija EBARA BALLARD Corp.
Kapacitet generatora
1kW
Efikasnost generacije
Over 31% ( HHV )
Efiaksnost iskoro
enja topote
Kapacitet skladi tenja tople vode Gorivo
Over 40% ( HHV ) 200 litara Prirodni gas
Slika: Ballardov Inteligent Energy agregat na PEM gorivne elije, pogodna je za stacionarne energetske primene, distributivne generatore, ku ne i komercionalne potrebe. Daje 10kW DC neregulisane snage. Na sobnoj temteraturi pri startu , sposoban je trenutno da isporu i punu snagu, a na 25ºC za 60 sekundi. Koristi 99.99% ist vodonik u gasnom stanju, i kiseonik iz vazduha. Izlazna snaga max 10kW, izlazna struja 90A, DC izlazni napon 100200V(neregulisan), proizvodnja buke 70dB, dimenzije 620 x 350 x 250mm, 74 te ina 70kg.
Slika levo: I-1000 1kW sistem gorivnih elija tih i bezbedan. Mo e da slu i kao pomo no napjanje za domove ili manje firme. Startuje brzo sa trenutnim odzivom, koriste i vodonik uskladi ten u boce koje se koriste za lokalnu distribuciju gasa (butana) doma instva. Dimenzije 44.5cm x 69cm x 51cm, te ina 66 kg. Emisija vode maksimalno 30mL / kWh, buka 53dBA na rastojanju od 1m. Cena $9,995.00.
Slika desno: PENTA H2 je kombinacija sistema za generisanje struje i toplote. PEM gorivne elije korist ist vodonik kao gorivo i obezbe uju 5kW elektri ne energije kao i 4.5KW termalne energije za grejanje vode na 60°C. U sebi ima integrisan vazdu ni sistem hla enja koji omogu ava rad i u ne kogeneracijskom re imu (bez grejanja tople vode). Sistem je opremljen sa elektri nim konvertorom sa izlazom za 120V, 60Hz i 220V, 50Hz. Efikasnost sistema pri normalnom radu je 45%. Vreme startovanja je 12s do 0.5KW i 1minut do pune snage. Te ina sistema 200kg. Stvara nivo buke od 55dB.
Cellkraft S-serija su sistemi sa gori-vnim elijama koji pri aju mak-simalnu efikasnost i pouzdanost. Vreme starta za temp. >0ºC je 1s, a za temp. <0ºC je 60s. ivotni vek je du i od 20.000 sati. Opseg temp. na kojima radio je od -35ºC do 35ºC. Testirani su u ekstremnim uslovima tokom zime u vetskoj 2004.
Slike levo: Sistem je testiran pri ekstremnim uslovima, i radio je 24h dnevnmo bez ikakvig nadzora i odr avanja.
75
Slika levo: Smart Fuel Cell SFC A50 baterija zasnovana na DM gorivnim elijama. Koriste i metanol kao gorivo, ovaj sistem nudi Snaga: 50W (neprekidno) Napon: 10.5 to 14.5V DC mnogo ve u enerPotrebna tmp.ambijenta: -20C to +40C getsku efikasnost Storage Temperature: +1C to +45C nego olovne batePotro nja metanola: 1.3L rije koje su ina e Metanola/kWh stvaranje buke: Manje od 40dB(A) na danas u irokoj pr1m imeni. Jedinica obDimanzije: (WxHxD) 380x 260x 150mm ezbe uje 100Ah po Te ina: 6kg (bez kertrid a za gorivo) danu (1200Wh po danu), rade i skoro ne ujno. Prazni kertrod se Izlaz: 12V DC mo e zameniti jako brzo, za razliku od nekoliko sati punjenja olovnih baterija. Namenjen je da radi u kombinaciji sa Pb baterijom Cena: $4,893.00 od 12v, jer je tako uvek obezbe ena maksimalna snaga. Smart Fuel Cell radi kao jedinica za punjenje baterije. Ako napon na povezanoj bateriji padne ispod 12.5v za period du i od 10 sekundi SFC A50 automatski zapo inje proces punjenja. Proces punjenja se zavr ava i jedinica se isklju uje ako je ispunjen jedan od ovih uslova: • Napon baterije je ve i od 14.5v • Napon baterije je preko 14v i struja punjenja je manja od 1A • Baterija je punjena 6 sati i napon je ve i os 12V
Slika desno: Ultra Cell UC25 je vojna i komercijalna miko gorivna elija na metanol koja obezbe uje potpono be no portabl napajanje bilo gde i bilo kada. Ova baterija je sposobna da napaja noviji (moderniji) lap top pri normalnom optere enju vi e od dva radna dana koriste i metanol samo iz jednog kertri za. Ultra Cell radi bez ikakvog dopunjavanja, jednostavno i brzo se samo promeni kertri . Izlazna snaga 10-25W (optimalno 25W) Izlazni napon steka 7.2V Izlazni napon konv. DC/DC 6-30V ivotni vek >2000h Trajanje jednog kertrid a 9h pri 20W Dimenzije 150x 230x 43mmm Te ina 1kg Gorivo 67% metano, 33% voda Start Automatski Radna tem. -20 - 49°C
Napon (V)
Slika: Ultra Cell UC25 predstavlja visoko efikasnu reformed methanol gorivnu eliju (RMFC).
Ustina Snage (mV/cm3)
76
Primena gorivnih elija u motornim vozilima
obila, iza ao na ulice 1979.
Automobili na gorivne elije, i uop te vozila na njih imaju jako veliku energetsku efiasnost iskori enja (30% - 50%) za razliku od konvencionalnih automobila sa motorima na unutra nje sagorevanje koji imaju efikasnist od 10% do 15% i kod kojih se ve ina energije goriva gubi u plamenu i toploti (oko 85%). Gorivne elije pretvaraju gorvo (vodonik) u struju bez plamena (hemijskim putem) i zato imaju mnogo ve u efikasnost. Na ovaj na in se izbegavaju gubitci pri paljenju, gorenju i toplotnim transverima ispu tenih gasova goriva. Ove brojke ( to se ti e efikasnosti gorivnih elja) rastu svakim danom s obzirom na velika ulaganja u ovou oblast. Vozila na gorivne elije ne zaga uju okolinu. Ona uop te neispu taju tetne gasove kao vozila sa unutra njim sagorevanjem. Kod njih je jedini produkt voda, zbog ega neki smatraju da bi mo da u budu nosti njeno isticanje u velikim koli inama na ulice moglo da dovede do nekih drugih problema. Ali sagorevanjem benzina, dizela i prirodnog gasa u konvencionalnim vozilima oslobadja se odprilike onoliko vodene pare kliko vode osloba aju i vozila na gorivne elije. Svaki galon benzina koji se proizvede zahteva 18 galona vode tokom procesa njegove proizvodnje i pre avanja. Ve ina ove vode ode u atmosveru u obliku vodene pare. To zna i kada bi se danas sva vozila sa motorima na unutra nje sagorvanje trenutno zamenila sa vozilima da gorivne elije ne bi se ispu talo ni ta vi e vode (vodene pare), nego to se to ve ini. Tako e same gorivne elije, kao i celokupna vozila na njih nisu bu na. Gorivne elije od vodonika proizvode struju, a ona napaja tihi elektri ni motor koji pogoni vozilo... Evo nekih konkretnih ekolo kih pore enja za razli ite vrste motora:
Slika: Pore enje ekolo kih parametara (emisije gorivne elije.
tetnih isparenja) i buke,
G. .
Benzinski
Gasna turbina
Dizel motor
Buka
Gorivne elije
Benzinski motor
Gasna turbina
Dizel motor
SOx emisija
Gorivne elije
Benzinski motor
Gasna turbina
Dizel motor
NOx emisija
Gorivne elije
Benzinski motor
Gasna turbina
CO2 emisija
Dizel motor
V
jjjj ozila na gorivne elije postoje ve nekoliko decenija, ,,ali nzbog dominantne, razgranate i razvijene automobilske industrije vozila sa motorima na unutra nje sagorevanje kao i industrije motornih goriva, a tako e i zbog mita o lo oj bezbednosti vodonika, do skora se na njih nije obra ala posebna pa nja, i u njihov razvoj se nije mnogo ulagalo. Ali u poslednje vreme zbog svesnosti o ograni enosti prirodnih resursa fosilnih goriva, i naravno vi e zbog neprestanog rasta cene nafte kao i budu e ekonomsle koristi, mnogi proizvo i motornih vozila su ve dosta usavr ili tehnologiju gorivnih elija, i uveliko poseduju koncept vozila, od kojih se neka kao potpuni proizvodi ve nude na tr tu. Dodu e sve ovo je jo uvek u po etnoj fazi razvoja i ispitivanja, i ve a tr na zastupljenost se predvi a kroz koju godinu kada po ne masovna proizvodnja, a samim tim budu ni e i pristupa nije cene ovih vozila . Prvi BMW-ov prototip H2 autom-
za dizal motor, gasnu turbinu i
77
Vozila na gorivne elje imaju dosta prednosti u odnosu na elektri na vozila (baterijski napajana). Dopunjavanje goriva je brzo, za razliku od vi asovnog dopunjavanja baterija, a tako e mogu da pre u i mnogo ve e razdaljine izme u dva uzastopna dopunjavanja. Uop te kad se uporede svi parametri i ekolo ki i ekonomski, tehnologija gorivnih elija je ispred svih drugih u automobilskoj industriji. Slika: Pore enje stepena emisije, ekonomi nosti goriva i ulaganja u nova istra ivanja za razli ite vrste vozila.
Gustina snage (Watts net / lier)
ivotni vek steka (sati)
Dosada nja dostignu a stekova gorivnuh elija i predvi anje njihovog daljeg razvoja. Ina e kao i za svaku predvodni ku tehnologiju i za gorivne elije su klju na dva problema: kvalitet i cena. ta je sve postignuto, i ta je sve mogu e posti i u budu nosti svedo e stavovi i predvi anja najve eg svetskog proizvo a gorivnih elija, Kanadske kompanije BALLARD: Osnovni zahtevi za primenu gorivnih elija u transportnim sredstvima su to ve i iznos gustine elektri ne snage i to bolja specifi na energija prema zapremini-te ini sistema (prvi grafik). Slede i podaci se odnose na standarde u automobilskoj industriji. Zahtev je da polaze i od srednje brzine od 50km/h i pre enih 200.000km gorivne elije kao energetski agregati elektroautomobila ostanu u tom stanju 4000 sati.
Slika: Kako se kretala gustina snage steka gorivnih elija i Ballardova predvi anja
Postignuti vati Domet postizanja W Predvi anje za 2100 ( Ballard)
Slika: Kako se kretao ivotni vek steka gorivnih elija, i Ballardova predvi anja
Stvaran broj postignutih sati Domet trajanja kome se te i Predvi anje za 2100 (Ballard)
Hladan start je veoma va an kriterijum za plasman gorivnih elija na otvoreno tr te. Po to one u osnovi radnog procesa imaju vodu kao neprekidni pratilac reakcija, za tita od mraza je za njih pitanje biti ili ne biti; Zbog slabe podr ke razvojnih fondova cene gorivnih elija su u po etnim godinama razvoja bile astronomske.
78
USD / Watts net
Vreme starta do 50% snage (s) Slika: Mogu nost hladnog starta stekova gorivnih elija
Postignuto t starta na -15 Postignuto t starta na -20 Zahtevano t starta na -20 Zahtevano t starta na -25 Zahtevano t starta na -30 (temperature su u ºC)
Slika: Kretanja cena steka gorivnih elija i o ekivanja
Stvarna cena Zpredvi ena cena Predvi anje za 2100 (Ballard)
Osnovna konstrukcija automobila na gorivne elije. Njih pokre e elektri ni motor koji je napajan od strane steka gorivnih elija. Tako e ve ina ovakvih automoblia koristi i ultrakondenzatore kao dopunski izvor, da bi se obezbedila dovoljna snaga elektri nog motora pri polasku i ubrzanju. Rezultat ovakve kombinacije je visoka efikasnost pri vo nji, i prili na u teda goriva.
Silika:
ema automobila na gorivne elije (HONDA FCX) i njenih osnovih delova.
Slika: Skica automobila na gorivne elije (HONDE FXC) i njenih osnovnih delova.
79
PCU (Power Control Unite) Glavna kontrolna jedinica Veliki radijator za gorivne elije
Ultra kondenzator Jednosmerni motor
Prate i manji radijator X2
Ovla iva vazduha
Slika:
Vazdu na pumpa
ema osnovnog principa rada automobila na gorivne elije.
Pumpa za hla enje
Tank vodonika pod visokim prritiskom
Slika: Prikaz osnove automobila na gorivne elije (HONDA FXC) sa glavnim delovima.
Sistem sa gorivnim elija sastoji se od lakog PEM steka sa totalnom maksimalnom snagom od 86kW (HONDA FXC), sistema za ovla ivanje vazduha koji reciklira vodu dobijenu kao produkt iz gorivne elije i koristi je u tu svrhu, i sistema za hla ne steka. Sistem za hla enje je opremljen sa jednim velikim radijatorom za gorivne elije i dva prate a manja, specijalno konstruisana za kori enje u automobilima na gorivne elije. Jednosmerni elektri ni motor snage 80kW (107 konjskih snaga) mo e da obezbedi obrtni moment od 272Nm (podaci za HONDU FXC).
Stekovi gorivnih elija
Struja
Tako e bitan deo automobila sa gorivnim elijama je PCU (Power Control Unit) koji kontroli e elektri ni sistem, uklju uj i izlaz steka, ultra kondenzator, motor, vazdu nu pumpu i sistema hla enja.
Slika: HONDIN stek gorivnih elija.
Slika: Izlo beni prikaz preseka Hondinog ultra kondenzatora.
Vreme
Slika: Struja G. . i pomo ultra kondenzatora pri polasku i ubrzanju vozila.
Ultra kondenzatori predstavljaju trenutnu pomo napajanja motora strujom prilikom polaska i akceleracije, a pune se uglavnom pri ko enja automobila. 80
Tank za gorivo HONDE FXC mo e da primi oko 150 litara vodonika pod pritiskom od 350 atmosfera, i sa njim da pre e bez dopunjavanja oko 190 milja (305km). Maksimalna brzina HONDE FXC je 93milje na sat, a od 0-60mph ubrzava za 11s. Efikasnost iskori enja goriva HONDE FCX je 57 milja za 1kg vodonika.. O ekuje se da e do 2008. kad vodoni ne pumpe postanu brojnije cena vodonika biti oko 3$ za 1 kg, pa e tro kovi goriva za ovakav auto biti 0.5$ za 10 milja vo nje.
Tehnologija membrane gorivne elije je zna ajno usavr ena, tako da je pobolj ana provodnost vodonikovih jona (rada gorivne elije) pri ekstemno niskim temperaturama.
Nova membrana Stara membrana
Otpornost membrane redukovana na pola
Rad mogu i pri ekstremno niskim tempertaturama
Evo pore enja rada motora na unutra nje sagorevanje (obi nog automobila) i jednosmernog motora napajanog gorivnim elijama.
Temperatura ºC
Slika gore: Karakteristika otpornosti membrane (tj. kvaliteta rada gorivne elije) u funkciji od temperature.
Slika dole: Pore enje strukture preno enja pogonskog momenta kod vozila na G. . i obi nog vaozila sa motorom na unutra nje sagorevanje.
Vozilo na gorivne elije
Motor
Vozilo sa benzinskim motorom
Motor
To kovi
Mehani ke karakteristike
Direktno povezan zup anik
Kva ilo
Prenosnik
Slika: Pore enje na ina preno enja momenta motora na to kove kod vozila na gorivne elije i benzinskg automobila. Vozilao na gorivne elije
Slika: S obzirom da je oziv motora dobar, brzina to kova se dobro kontroli e uprkos velikom polaznom proklozavanju.
Brzina to kova
Kod vozila na gorivne elije zub anici jednosmernog motora su direktno povezani sa to kovima, to daje mnogo bolje performanse.
Vozilo sa motorom na un.sagorevanje
Vreme proklizavanja Vreme
Kao to je ve re eno ve ina automobilskih kompanija ve poseduju gotova koncept vozila na gorivne elije, od kojih se neka ve mogu i kupiti: 81
HONDA FCX na stanici za dopunjavanje vodonika.
Sistem za uzemljenje
H2 filter
FCX: max brzina 93mph, 0-60mi ubrzava za 11s. Sa punim rezervoarom H2 prelazi bez dopunjavajna oko 305km.
Na pumpama je predvi en poseban sistem za dopunjavanje (gasnog) vodonika.
Stanica koristi solarnu energiju za dobijanje struje, i iz vode sa njom (elektrolizom) proizvodi H2 koji se skladi ti u tankove pod pritiskom za potrebe konzumacije.
Nova HONDA FCX koristi usavr eni stek gorivnih elija koji je za 40% manji , daje ve u snagu (100kW), i dosta ekonomi niji od svog prethodnika. Vozilo razvija maksimalnu brzinu od 160km/h, i sa punim rezervoarom H2 prelazi bez dopunjavajna 570km. Mitsubishi FCV, hibridno vozilo na gorivne elije. Koristi Ballardov stek gorivnih elija MK-902 koji daje maksimalnu snagu 68kW i napon od 250-400V. Elektri ni motor vozila ima maksimalnu snagu 65kW, a bateriski sistem 20kW.
82
Presek osnove Toyotinog vozila na gorivne elije.
TOYOTA FCHV vozilo na gorivne elije.
AUDI A2 hibridno vozilo na gorivne elije izlo eno na salonu automobil u Hanoveru 2004.
Mercedesova paleta vozila na gorivne elije.
MERCEDES F600 Hygenius, stek gorivnih elija izlazne snage 85 kW/115 hp, tro i ekvivalnet od 2.9l goriva na 100km , prelazi 400km sa punim rezervoarom vodonika.
83
VOLKSWAGEN -ovo vozilo na gorivne elije.
NISSAN X-Trail FCV.
HYNDAI
Tucson izlo en na enevskom salonu automobila 2004.
GM Sequel, 0-60mph za 10sec, sa punim rezervoarom prelazi 300milja.
GM Hydrogen3. FORD Focus na gorivne elije. Mazda FCV
Hammer na gorivne elije.
GM terensko vozilo na gorivne elije.
84
Slika levo: est MercedesBenz kombija na gorivne elije kori eni od strane poznatih Hambur kih kompanija obavljaju normalne du nosti bez zaga enja okoline. Slika dole: Mercedes – DaimlerChrysler kombi na gorivne elije koji koristi kompanija UPS. Vozilo poseduje 55kW-ni elektri ni motor. Mo e da razvije brzinu od 120km/h, i sa punim tankom vodonika prelazi bez dopunjavnja 150km.
Projekat - kamion na gorivne elije.
Slika levo: Skuter VX-FCe Vec trix Corp na gorivne elje . Maksimalna brzina 60mph, sa punim rezervoarom pri 25mph prelazi 155milja. Od 030mph ubrzava za 4 sekunde. Cena e mu biti manja od 9000$.
Slika dole: Britanska firma je predsavila ENV, motor na gorivne elije. DC motor koji napajaju gorivne elje sa 48V DC ima 6kW. Ubrzava od 0-48km/h za 7.3s. Maksimalna brzina 80km/h. Prelazi sa punim rezervoarom je oko 160km.Kao gorivo koristi 99.9% ist vodonik. Vreme dopunjavanja oko 5min. Te ina celog motora je 80kg. Jedini problem ovog motora je to je toliko tih da se ne uje kad dolazi.
Slika: Hondin prototip motora na gorivne elije koji ima motor ekvivalentan motoru od 125cc.
85
U Americi za sada Kalifornija vodi vodstvo od 16 operativnih stanica za dopunjavanje vodonika, a planira se otvaranje jo 15 u skorijoj budu nosti i sve to u okviru programa California Hydrogen Highway Network (CaH2Net).
Slika: Mre a pumpi za dopunjavanje vodonika irom Kalifornija.
Pored Kalifornije stanice za dopunjavanje vodoika postoje i u drugim oblastima irom Amerike, ikagu, Mi igenu, Arizoni, Va ingtonu, Floridi, Njujorku, itd.. Tako e jo dosta zemlja irom sveta poseduje mre u vodoni nih pumpi za dopunjavaje goriva.
Slika: Senju stanica za dopunjavanje H2 u Tokiju.
Slika: Jedna od stanica Kaliforniske mre e H2 Pumpi.
Pumpa za vodonik
Slika: Punkt za dopunjavanje vodonika na stanici u Va ingtonu.
Slika: Yokohama Asahi stanica za dopunjavanje vodonika u Tokiju.
86
Bezbednost skladi tenja vodonika u vozilima. Ovo je jedan od glavnih problema koji se name e pri konstrukciji automobia i uop te vozila sa gorivnim elijama koje koriste vodonik kao gorivo. Postavlja se pitanje da li su ona sigurna, s obzirom na visoko zapaljivu prirodu ove supstance. Mnogi proizvo i automobila tvrede da ako se sa njim rukuje na odgovaraju i na in on je siguran ako ne i sigurniji od ve ine drugih goriva. Ameri ka kompanija automobila Ford u saradnji sa U.S. Departmetom of Energy je objavila da bezbednost vozila na gorivne elije ima potencijal da bude Slika: Vodonik u vozilima na gorivne elije mo e da bolja nego do sada pokazana bezbednost predstavlja potencijalnu opasnost prilikom sudara. benzinskih automobila, i jednaka ili bolja od automobila na prirodni gas. Oni su objavili da pri sudarima na otvorenim putevima vozila na vodonik su bezbednija od benzinskih ili onih na prirodni gas, i to iz vi e razloga: -Rezervoar sa vodonikom (tank) je od ugljeni nih vlakana, i vrlo je elasti an ak i pri ja im udarima. Uop te gledano ovi tankovi, kao i ceo sistem za vodoni no gorivo u vozilu je dizajniran da izdr i 2.25 do 3.5 puta ve i pritisak od njihovog operativong, samim tim i sudare pri ve im brzinama, pa ak i direktan pogodak ja eg vatrenog oru ija, pi tolja i pu aka (jer ugljeni na vlakna pored toga to su elasti ana imaju i izdr ljivpst oko 10 puta ve u od elika). -Proizvo i usavr avaju senzore koji e trenutno detektovati udar pri sudaru, kao i dodatne senzore koji e detektovati i najmanje curenje gasa vodonika, i u oba slu aja momentalno zatvoriti ventile, kao i prekinuti dotok struje iz baterija da bi se spre ila mogu nost paljnja.
Slika:
ematski prikaz sistema mera bezbednosti.
Vodonik poseduje gustinu samo 7% od one koju ima vazduh, pa se jako brzo iri i razre uje sa njim (i bez vetra i ventilacije). Prirodan gas ima gustinu 55% od one koju ima vazduh, bezin od 3.4 do 4 puta ve u gustinu (340-400%), a propan 1.52 puta ve u. Posledica toga je da gas vodonika kada iscuri, brzo se podi e u atmosferu i razre uje sa vazduhom, za razliku od ovde
87
drugih navedenih goriva, i time smanjuje mogu nost za vatru. Tako e za vodonik koji isti e na dole ako je u me avini vodonika i vazduha zastupljen sa manje od 10% ne e mo i da do e do paljnja (a po to se vodonik brzo me a i iri u vazduhu, brzo mu i opada zastupljenost u me avini). Metan se naprimer mo e zapaliti ako mu je zastupljenost u me avini sa vazduhom ve a od 5.6%, to je rizi nije od paljenja vodonika. Na Univerzitetu u Majamija 2001. godine je izvr ena simulacija paljnja po ara dva automobila, jednog sa vodoni inim tankom i drugog sa obi nim benzinskim. Kao to slike same govore sumlje da bi vozila sa vodonikom bila bombe na putevima nisu potvr ene, naprotiv… 0 sekundi Vozilo sa vodonikom pod pritiskom kao gorivom
posle 3 sekunde
Vozilo sa obi nim benzinskim rezervoarom
posle 1 min
posle 1 min i 30 sekundi
Slika: Testiranje paljnja curenja goriva iz rezervoara automobila sa tankom vodonika pod pritiskom i obi nog benzinskog. Tako e treba re i da su male anse da do e do paljenja vodonika unutar samog tanka, kada bi do lo do eksplozije vozila, zbog velike izdr ljivosti ugleni nih vlakana od kojih je tank napravljen (10 puta izdr ljivija od elika).
-Vozila sa gorivnim elijama mogu da nose odprilike 60% manje energije (goriva) od onih sa motorima na unutra nje sagorevanje jer su mnogo efikasnija. Pa ako se vodonik iz ovih vozila zapali, oslobodi e se manje termalne energije nego pri paljenju rezervoara sa benzinom ili prirodnim gasom. Tako e u slu aju vatre vodonik izgori mnogo br e od drugih goriva (brzina gorenja mu je 7 puta ve a od benzina ili prirodnog gasa) pa teta mo e da bude mnogo manja. Pri sudarima u tunelu iste one osobine koje ga ine bezbednim na otvorenim putevima, ine ga i ovde. Vodoni ni gas se br e me a sa vazduhom od bilo kojih drugih goriva, mada u po etnom trenutku mo e da se napravi poterncilno opasniji “mehur” vodonika, u odnosu na onoj od prirodnog gasa. Ali ipak ako se sa njim rukuje odgovaraju e, ceo ivotni krug vodonika bi trebao da bude bezbedniji od onoga za prirodni gas ili benzin. Tako e vodonik nije toksi an i ne kontaminira okru enje kao to bi bilo u slu aju isticanja benzina, propana ili prirodnog gasa.
88
Autobusi na gorivne elije. irom sveta se ve uveliko koriste i demonstriraju autobusi na gorivne elije. Oni ne zaga uju okolinu (nemaju emisiju nikakvih tetnih gasova – jedini produkt je voda), ekonomi ni su i nisu bu ni. U evropi se ve nekoliko godina realizuje program CUTE (Clean Urban Transport for Europe) koji obuhvata kori enje 47 autobusa na gorivne elije u 9 evropskih metropola: Amsterdamu, Barseloni, Luksemburgu, Madridu, Portu, Hamburgu, tudgardu, Stokholmu i Londonu. Jo 6 autobusa vozi u okviru drugih projekata na Islandu (Reykjavik) i Australiji (Perth). Tako e autobusi na gorivne elije saobra aju i u Japanu i irom Amerike.
tokholm
Barselona
tokholm
Amsterdam
Berlin
tudgard
Slika: Ekolo ki tihi autobusi na gorivne elije u gradskim pevozima nekih Evropskih metropola.
89
Osnovni cilj svih ovih programa je da se skupi to je mogu e vi e iskustva o tehnologiji gorivnih elija, zbog ega su naravno za vreme kori enja autobusa na g. . vr ena njihova intenzivna ispitivanja i testiranja. Tako e je vr eno pore enje sa obi nim konvencionalnim autobusima na naftu i prirodni gas. Sam program CUTE je zapo eo 2001. Tokom prve tri godine su napravljeni autobusi i obezbe ena infrastruktura za snabdevanje vodonikom u 9 stanica devet evropskih gradova. 2003. godine vozila su iza la na ulice.
Slika: Vozni park autobusa na gorivne eije koji se koristi u gradskom prevozu Hamburga.
Gorivne elije za ve inu autobusa proizveo je Kanadski proizvo razvoja i usavr avanja jo od 1993. godine.
BALLARD, i produkt su
Slika: Napredak razvoja PEM steka gorivnih elija kompanije BALLARD.
Slika: BALLARD-ov stek PEM gorivnih elija Mk-902 Low Duty, 85kW/300A sadr i 440 elija u etiri reda.
Slika: BALLARD-ov stek PEM gorivnih elija Mk-902 Havy Duty, 150kW/240A sadr i 960 elija u est redova.
90
Gorivne elije pretvaraju vodonik u struju, a ona napaja elektromotor koji pokre e autobus. Mehanizm kontrole broja obrtaja motora, tj. brzine vozila bi bio slede i: Kada voza dodirne pedalu za gas, njena pozicija odnosno ugao se detektuje preko kontrolnog sistema, i dalje alje kao zahtev za momenat motora. Zahtev se konvertuje u vrednost jednosmerne struje koju treba dovesti na motor. Ja ina struje koju daje gorivna elija se reguli e dotokom vazduha u nju, i to predstavlja klju ni mehanizam kontrole napajanja motora elektri nom energijom. Sa druge strane protok vodonika nije aktivno kontrolisan. Zna i da brzina (snaga) vozila zavisi od dotoka (kompresije) vazduha u gorivnu eliju.
Slika: Komponente autobusa na gorivne elije i njegove osnovne karakteristike.
Iskustvo MERCEDES BENCA kao jednog od proizvo a ovih autobusa je pokazalo da nije obavezno gorivna elija ta koja je odlu uju i faktor za raspolo ivost vozila na gorivne elije, ve ustvaru razli iti drugi pomo ni ure aji.
Slika: TOYOTIN Hino autobus na gorivne elije u javnom saobra aju Tokija.
91
Slika: Pore enje nekih karakteristika autobusa na gorivne elije napravljenog od strane Ameri ke kompanije United Technologies i klasi nog dizel autobusa.
Punjenje goriva (vodonika) na stanicama obi no traje oko 15min, maksimalno 30min u zavisnosti od po etnog nivoa i kontrole. Po pristanku na stanicu vozila se prvo moraju uzemljiti radi spre avanja elektrostati kog pra njenja koja bi mogla da izazovu paljenje iscurelog vodonika.
Slika: Stanica za dopunjavanje vodonika u Barseloni.
92
Na ve ini samih stanica se proizvodi vodonik elektrolizom ili preradom prirodnog gasa (steam reforming). Ostale koriste eksterne izvore snabdevanja.
Slika: Vodoni na pumpa za autobuse u Madridu. Na samoj stanici se koristi postupak prerade prirodnog gasa za dobijanje vodonika, a tako e koristi i eksterne izvorie za snabdevanja vodonikom.
Slika: Stanice za dopunjavanje vodonika u Hamburgu. Koristi princip elektrolize za proizvodnju vodonika na samoj stanici
U programu CUTE stanice su se prakticno pokzale izvodljive za svakodnevnu upotrebu. Elektrolizeri (ure aji koji po principu elektrolize iz vode generi u vodonik i kiseonik) su uglavnom radili kako su i bili predvi eni, i proizvodili u proseku ne to vi e od 600kg vodonika mese no (to je ekvivalentno sa vi e od 5kWh/Nm3). Bilo je i nekih zastoja: Steam reformeri su imali problema tokom po etne faze, to se i o ekivalo jer su prototipovi novijeg i efikasnojeg principa konverzije. U me uvremenu ti problemi su re eni.
Slika: Osnovna ema funkcionisanja stanica za dopunjavanje vodonikom.
93
Slika: Na ini proizvonje i snabdevanja vodonika na stanicama za dopunjavanje po gradovima irom Evrope:
*
94
Primena gorivnih elija u svemiru Ranih1960-tih u Alpllo svemirskom programu bile su kori ene alkalne gorivne elije, koje su ina e naj efikasnije na ni im temperaturama. One su bile ne to malo modifikovane u odnosu na prvobitni pronalazak Thomasa Bacona iz 1932. Tri jedinice sposobne da proizvodu od 1.5kW do 2.2kW u kratkim periodima, radile su paralelno. Svaka je bila te ka 114kg i kao gorivo koristila je cryogenic hydrogen i kiseonik. One su radile 10.000 sati tokom 18 misija bez i jednog incidenata tokom leta. Tako e su tokom misija proizvodile potrebnu istu vodu za potrebe posade.
Slika levo: Generator na gorivne elije kori en u Apollo programu.
Slika desno: Apollo modul u Mese evoj orbiti.
Nastavljaju i razvoj, stekovi gorivnih elija se i danas koriste u shattl-ovima kao glavni i jedini sistemi napajanja. Proizvode oko deset puta vi e elektri ne energije od jedinica kori enih u Apoolu. Tako e kao gorivo koriste cryogenic hydrogen i kiseonik, i efikasnost im je 70%. U vi e od 100 misija imale su preko 80.000 radnih sati bez kori enja ikakvih rezernih baterija.
Slika dole: Generator na gorivne elije koji ceo shuttle snabdeva elektri niom energijom.
Slika : Shuttle u orbiti oko Zemlje.
95
