III.gimnazija, Split
Seminarski rad
Vodik kao alternativno gorivo
Učenik:
Mentor:
Petra Brčić
Žana Matić
Split, prosinac 2016.
Sadržaj 1. Uvod .................................................................................................................................................... 1 2. Razrada ................................................................................................................................................ 2 2.1 Vodik i tehnologija proizvodnje vodika........................................................................................ 2 2.2 Skladištenje i prijevoz vodika ....................................................................................................... 6 2.3 Primjena vodika kao gorivo .......................................................................................................... 8 3. Zaključak ........................................................................................................................................... 14 4. Literatura ........................................................................................................................................... 15 5. Popis slika ......................................................................................................................................... 16 6. Popis tablica ...................................................................................................................................... 17
I
1. Uvod U današnjem svijetu uglavnom se koriste tehnologije koje primjenjuju fosilna goriva radi opskrbe energijom. Izgaranjem fosilnih goriva dolazi do onečišćenja okoliša, emisije štetnih plinova u atmosferu. Posljedica zagađenja su klimatske promjene kojima smo svjedoci. Energetika je jedan od gorućih problema na globalnoj razini, potrebe za energijom iz dana u dan su u porastu. Stoga treba razmišljati o tehnologijama koje bi napustile upotrebu fosilnih goriva jer njihov energetski potencijal nije neograničen. Zbog ograničenih zaliha fosilnih goriva i posljedica njihovog korištenja na okoliš, krajnje je vrijeme da se nešto promijeni na polju energetike. Rješenje se vidi u „zelenoj“ energiji. U nju se ubrajaju svi obnovljivi izvori energije. Riječ je o golemim količinama energije koja se nalazi na našem planetu i ona se iznova obnavlja (sunčeva energija, energija vjetra, energija dobivena od biljaka, geotermalna energija). Korištenjem obnovljivih izvora energije mogu se dobiti ekološki čista alternativna goriva koja se mogu koristiti umjesto fosilnih goriva. Upravo zbog toga sam odabrala ovu temu jer vodik kao gorivo ima izniman potencijal. Problemi s obnovljivim izvorima energije su troškovi proizvodnje i pohranjivanja proizvedene energije. Proizvodnja i pohrana vodika nameće se kao jedno od najizglednijih rješenja, a gorivni članci kao moguća i vjerojatna zamjena motorima s unutarnjim izgaranjem. Tema ovog rada je vodik kao gorivo budućnosti. Detaljno će bit opisan vodik kao kemijski element i tehnologije na kojima počiva gospodarstvo temeljeno na vodiku. Prva grana gospodarstava temeljenog na vodiku je njegova proizvodnja. Iako vodika ima u neograničenim zalihama on je uvijek vezan u nekim spojevima, pa se stoga koriste tehnologije kojima je osnova otpuštanje vodika iz tih spojeva. Vodik je moguće dobiti iz neobnovljivih i obnovljivih izvora energije. Druga grana gospodarstva je skladištenje i transport vodika. Ovisno u kojoj se fazi vodik nalazi (plin, tekućina, kruta tvar), potrebno je osigurati njegovo adekvatno skladištenje i transport. Moguće je prilagođavanje već postojeće infrastrukture (cjevovodi kojima se transportira prirodni plin). Treća grana gospodarstva je primjena vodika kao gorivo (automobili, autobusi, podmornice, brodovi, zrakoplovi, zamjena za baterije, distribuirana proizvodnja struje, primjene u svemiru).
1
2. Razrada 2.1 Vodik i tehnologija proizvodnje vodika Paracelsus, liječnik i alkemičar, nesvjesno je eksperimentirao s vodikom dobivši ga u reakciji između metala i jake kiseline. Henry Cavendish , engleski kemičar i fizičar, 1766. godine je definirao o kojem se plinu radi. Dobivši ga u reakciji cinka i klorovodične kiseline, nazvao ga je „zapaljivim zrakom“. Dokazao je da reakcijom vodika i kisika nastaje voda. Antoine-Laurent Lavoisier, otac moderne kemije, naziva ga hydrogène („onaj koji stvara vodu“). Na temelju prethodnih teorijskih radova dvojac Karl Friedrich Bonhoeffer, njemački fizičar i kemičar, i Paul Harteck, austrijski kemičar, pokazali su da je obični vodik mješavina dvije vrste molekula, orto-vodika i para-vodika. Svojstva vodika mogu se teoretski izračunati relativno lako zahvaljujući njegovoj jednostavnoj strukturi. Vodik je kemijski element koji ima simbol H u periodnom sustavu elemenata. Njegov atomski broj Z = 1, a atomska mu je masa Ar = 1,00794(7). Vodik ima neodređen položaj u periodnom sustavu. Iako ima jedan valentni elektron kao alkalijski metali, od njih se razlikuje većom energijom ionizacije. Ne može ga se smatrati niti halogenim elementom jer se od njih razlikuje manjom elektronegativnosti i afinitetu prema elektronu, stoga vodik je element koji se proučava zasebno. Procij, deuterij i tricij su izotopi vodika. Zajedničko svim trima izotopima vodika je atomski broj Z = 1, broj protona N(p) = 1 i broj elektrona N(e) = 1, razlikuju se u broju neutrona i u masenom broju.
Procij, obični vodik ili laki vodik, najzastupljeniji je vodikov izotop (u nama poznatom dijelu svemira više od 99,98 % svih atoma vodika pripadaju prociju). Oznaka za procij je 1H. Jezgra procija (proton) sastoji se od jednog protona, bez neutrona (N(p) = 1 i N(n) = 0). Maseni broj je 1.
Deuterij, teški vodik, u prirodnoj smjesi izotopa zastupljen je s otprilike 0,02%. Oznaka za deuterij je 2H ili D. Jezgra deuterija (deutron) sastoji se od jednog protona i jednog neutrona (N(p) = 1 i N(n) = 1). Maseni broj deuterija je 2. Voda u kojoj se umjesto običnog vodika nalazi teški vodik, zove se teška voda (D2O). Gustoća joj je 12,5% veća od obične vode. Najviše se koristi kao usporivač neutrona (moderator) u nuklearnim reaktorima koji su ujedno i hlađeni teškom vodom. Teška voda se od obične vode odvaja elektrolizom. Deuterij predstavlja moguće gorivo za dobivanje električne energije iz nuklearne fuzije.
Tricij, superteški vodik, radioaktivan je izotop vodika s vremenom poluraspada od 12,32 godine. Oznaka za tricij je 3H ili T. Jezgra tricija (triton) sastoji se od jednog protona i dva neutrona (N(p) = 1 i N(n) = 2). Tricijev maseni broj je 3. U prirodi se može naći u vrlo malim količinama u atmosferi, a nastaje uslijed djelovanja kozmičkih zraka. Koristi se kod kemijskih i bioloških pokusa kao radioaktivni označivač.
2
Vodik je plin bez boje, mirisa i okusa, lakši je od zraka, nije toksičan, zapaljiv je, najrasprostranjeniji je element u svemiru. Hlađenjem ispod -252,8°C vodik se zgusne u bezbojnu tekućinu. Pri -259,3°C tekući vodik prelazi u čvrsti vodik koji ima heksagonsku kristalnu strukturu. Od svih plinova vodik ima najmanju gustoću. Nekad se rabio za punjenje balona i upravljivih „zračnih brodova” pogonjenih benzinskim motorima. Najpoznatiji zračni brod (cepelin), kojim se odvijao putnički promet između Europe i Amerike, je Hindenburg (Slika 1).
Slika 1: Hindenburg (komercijalni putnički cepelin) (Izvor: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/35/Hindenburg_at_lakehurst.jpg/800pxHindenburg_at_lakehurst.jpg)
Fizikalna svojstva i osnovne karakteristike vodika (Slika 2).
Slika 2: Fizikalna svojstva i osnovne karakteristike vodika (Izvor: Franković, B., Jedriško, C., Lenić, K., Trp, A.: Istraživanja i razvoj tehnologije vodika, Tehnički fakultet Sveučilišta u Rijeci, Rijeka, 2005. str. 2.)
Vodik se proizvodi i koristi u procesnoj industriji diljem svijeta već dugi niz godina. Tek zadnjih godina se daje naglasak na vodiku kao gorivu budućnosti. Vodik je obnovljivo gorivo, on nije izvor energije. Može se proizvesti iz bilo kojeg izvora energije. U današnje vrijeme većina godišnje količine proizvedenog vodika potječe od proizvodnje korištenjem fosilnih goriva. Zbog jasno postavljenih smjernica o očuvanju okoliša, ograničenoj količini fosilnih goriva te sve većih potreba za energijom ide se u smjeru napuštanja klasične proizvodnje vodika. Naglasak je na novim tehnologijama i to onim koje koriste obnovljive izvore energije.
3
Procesi proizvodnje vodika iz fosilnih goriva temelje se na zagrijavanju ugljikovodika, vodene pare, ponekad se koristi zrak ili kisik, te njihovom miješanju u reaktoru. Razdvajanjem molekula vode i ugljikovodika stvaraju se molekule vodika, ugljikovog monoksida te ugljikovog dioksida. Dobivanje goriva od metana je najčešća komercijalna tehnologija proizvodnje vodika. Većina fosilnih goriva sadrže određenu količinu sumpora, stoga proces njegovog otklanjanja ima značajnu ulogu u primjeni vodikovih tehnologija. Neke od metoda dobivanja vodika iz fosilnih goriva su:
Parno reformiranje – Parno reformiranje je trenutno jedna od najrasprostranjenijih i ujedno najjeftinija metoda za proizvodnju vodika. Njezina prednost u odnosu na ostale metode je njena učinkovitost uz niske operativne i proizvodne troškove. Najčešće korištene sirovine su prirodni plin i lakši ugljikovodici, metanol i drugi oksidirani ugljikovodici. Parnim reformiranjem u kojem se koriste ugljikovodici i metanol kao sirovine odvijaju se sljedeće kemijske reakcije. CmHn + mH2O (g) → mCO + (m + 0,5n) H2
(1)
CmHn + 2mH2O (g) → mCO + (2m + 0,5n) H2
(2)
CO + H2O (g) → CO2 + H2
(3)
CH3OH + H2O (g) → CO2 + 3H2
(4)
Cijeli proces se sastoji od dvije faze. U prvoj fazi se ugljikovodik s parom dovodi u cjevasti katalitički reaktor. Tijekom tog procesa, sintetički plin se proizvodi s nižim sadržajem ugljikovog monoksida (CO) ili ugljikovog dioksida (CO2) ((1) i (2)). Potrebna temperatura reakcije se postiže dodavanjem ili kisika ili zraka radi sagorijevanja dijela sirovine unutar reaktora. U drugoj fazi se CO u velikoj mjeri pomoću pare pretvara u CO2 i vodik (3). Metanol se pretvara u vodik i ugljični dioksid pod povišenim tlakom i visokom temperaturom uz interakciju s katalizatorom (250360 °C, 20 bar) (4).
Djelomična oksidacija – Zagrijavanjem prirodnog plina na visoku temperaturu ( od 700 do 1000 °C) pri tlaku od 3 do 25 bari te njegovim miješanjem s vodenom parom nastaju vodik te ugljikov monoksid. Endotermnom reakcijom metana s vodom dobiva se vodik (sintetski plin) uz povišenu temperaturu, tlak i uz prisustvo katalizatora (nikal), kao što je prikazano sljedećom kemijskom reakcijom. CH4 + H2O → CO + 3 H2
ΔH = + 206 kJ mol-1 (700-1000 °C, 3-25 bar, Ni)
Dobivanje dodatne količine vodika postiže se oksidacijom ugljikovog monoksida, što je prikazano sljedećom kemijskom reakcijom. CO + H2O → CO2 + H2
ΔH = – 41,2 kJ mol-1
4
Autotermalno reformiranje prirodnog plina ili nafte – Ova metoda je kombinacija djelomične oksidacije i parnog reformiranja. Iz egzotermne parcijalne oksidacije dobiva se toplina za endotermno reformiranje. U procesu ugljikovodici reagiraju sa smjesom kisika (može se koristiti zrak) i pare uz prisustvo katalizatora.
Toplinska disocijacija – Vodik je moguće dobiti zagrijavanjem ugljikovodika na visokim temperaturama bez prisustva kisika. Prednost ovoga procesa je dobivanje vodika bez nastanka ugljikovog dioksida.
Kvaernerov „carbon black & hydrogen“ proces – Norveška kompanija Kvaerner Oil & Gas Company razvila je proces u kojem se dobiva čisti ugljik te vodik. Čisti ugljik koji se dobije iz komercijalnih ugljikovodika (od laganog plina do teške sirove nafte) koristi se u daljnjoj industrijskoj preradi, posebno u industriji gume i boja. Ugljikovodik se razdvaja u struji plazme koju stvara visokonaponski izvor, pri visokoj temperaturi (od 1500°C), bez prisustva kisika, na ugljik i vodik. Zbog neprisutnosti zraka u procesu ne nastaje ugljikov dioksid.
Reformiranje plazmom –Proces u kojem se koristi plazma za reformiranje ugljikovodika razvili su znanstvenici s MIT-a (Massachusetts Institute of Technology). Prednost samog postupka u odnosu na druge je mogućnost reformiranja teških naftnih ugljikovodika. Reformiranje ugljikovodika plazmom može se odvijati bez prisustva kisika (piroliza) te nastaje ugljik u obliku čađe i vodik.
Značajnu ulogu glede vodikove ekonomije u novije vrijeme imaju procesi proizvodnje vodika iz obnovljivih izvora (Slika 3). Razvijanjem i primjenom takvih procesa dobiva se izvanredna mogućnost dobivanja vodika uz smanjene štetne emisije.
Slika 3: Proizvodnja vodika iz obnovljivih izvora energije (Izvor: http://ivicakonjarevic.meximas.com/wpcontent/uploads/2014/11/nova-slika-vodik.jpg)
5
Vodik je gorivo koje se može skladištiti, što znači akumuliranjem potrebne energije može se riješiti problem energije na Zemlji. Neke od metoda dobivanja vodika iz obnovljivih izvora energije su:
Elektroliza vode – Elektrolizom se voda razdvaja na vodik i kisik uz posredovanje električne energije. Tijekom elektrolize na katodi se reducira vodik, a na anodi oksidira kisik. Katoda: 2H2O (l) + 2e- → H2 (g) + 2OH- (aq)
(1)
Anoda: 4OH- → O2 (g) + 2 H2O (l) + 4e-
(2)
Ukupna reakcija: 2H2O → 2H2 + O2
(3)
Elektroliza vode se odvija na sobnoj temperaturi. Najčešće korišten elektrolit pri elektrolizi vode je sumporna kiselina, elektrode su od platine tako da ne dolazi do reakcije sa elektrolitom. Proces je ekološki čist, ne stvaraju se staklenički plinovi, a kisik koji se dobije pri elektrolizi koristi se za daljnje industrijske aplikacije. Nedostatak ove metode je njena visoka energetska zahtjevnost.
Fotoelektroliza – Proces se odvija unutar fotonaponskih ćelija. Apsorbira se sunčeva energija i istovremeno stvara potreban napon za izravno raspadanje molekule vode na kisik i vodik. Pri procesu je izbjegnuto posredovanje električnom energijom čime se smanjuju gubici te se povećava učinkovitost. Trenutno, to je najjeftiniji i najučinkovitiji način proizvodnje vodika iz obnovljivih izvora.
Rasplinjavanje biomase – Predviđanja su da bi biomasa kao obnovljivi izvor energije u budućnosti mogla u potpunosti zamijeniti naftu. Biomasa je dostupna iz širokog spektra izvora, kao što je komunalni kruti otpad, životinjski otpad, ostatci usjeva, poljoprivredni otpadci, piljevina, stari papir i mnogi drugi. Proces kojim se iz biomase dolazi do vodika sličan je procesu rasplinjavanja prirodnog plina. Biomasa pri visokim temperaturama prelazi u plinovito stanje sastavljeno od metana, ugljikovog monoksida i vodika. Dovođenjem pare u takvu smjesu dolazi do reformiranja metana u vodik, ugljikov dioksid i ugljikov monoksid. Daljnjim postupcima udio ugljikovog monoksida se smanjuje, nastaje ugljikov dioksid i dodatna količina vodika.
2.2 Skladištenje i prijevoz vodika Distribucija vodika i njegova primjena kao gorivo usko je vezana uz način njegova uskladištenja i tehnologiju transporta. Vodik se može skladištiti u plinovitom (stlačeni plin uskladišten u čeličnim i kompozitnim spremnicima), tekućem (ukapljen u kriogenim spremnicima), i krutom obliku.
6
Iako je najlakši element, vodik ima veliku masenu gustoću energije od 120 MJ kg-1, što je otprilike tri puta više nego u derivatima nafte. U plinovitom i tekućem stanju ima vrlo malu gustoću, stoga je volumna gustoća energije vrlo mala (5,6 MJ dm-3 pri 70 MPa). Pohranjivanjem vodika u plinskoj i tekućoj fazi osigurava se samo vrlo ograničen sadržaj energije. Materijal za pohranu vodika u krutoj fazi treba zadovoljavati sljedeće kriterije: brzu kinetiku otpuštanja i primanja vodika, laku aktivaciju, minimalno propadanje tijekom cikličke sorpcije, sigurnost i nisku cijenu. Plinoviti vodik se najčešće isporučuje u kamionima ili putem cjevovoda (kao i prirodni plin). Budući da se plinoviti vodik obično proizvodi pri relativno niskom tlaku (20-30 bara), prije transporta u cjevastim spremnicima koji su naslagani u prikolici kamiona biva stlačen pri tlaku od 180 bara (ili više) (Slika 4).
Slika 4: Kamion s prikolicom za prijevoz plinovitog vodika (Izvor: https://energy.gov/sites/prod/files/styles/large/public/tube_trailer.jpg?itok=QM_yTKQn)
Ukapljeni vodik (plinoviti vodik se pretvara u tekućinu hlađenjem do ispod -253 ° C) pohranjuje se u velike izolirane spremnike, a može se vršiti i transport od mjesta proizvodnje do mjesta korištenja vodika (Slika 5).
Slika 5: Kamion za prijevoz ukapljenog vodika (Izvor: https://energy.gov/sites/prod/files/styles/large/public/liquid_tanker.jpg?itok=d-Ilf7mj)
Metalni hidridi (MgH2, NaAlH4, LiAlH4, LiH, LaNi5H6, TiFeH2) mogu se koristiti kao medij za pohranu vodika, ali s različitim stupnjevima uspješnosti. Većina metalnih hidrida vežu se s vodikom snažnom vezom. Zbog toga je potrebna visoka temperatura (od 120 ° C do 200 ° C) da bi se otpustio vodik iz toga spoja. Ovaj trošak energije može 7
se smanjiti korištenjem legura kao što su LiNH2, LiBH4 i NaBH4. U legurama su formirane slabije veze, stoga je potrebna manja toplina za otpuštanje primljenog vodika. Međutim, ako je međudjelovanje preslabo, potreban je veći tlak kako bi se vodik pohranio. Kako bi proces primanja i otpuštanja vodika bio ekonomičan temperatura bi trebala biti ispod 100 °C, a tlak ispod 700 bar. Hidridi koji se preporučuju koristiti u vodikovom gospodarstvu su jednostavni hidridi magnezija i kompleksni metalni hidridi, koji tipično sadrže natrij, litij ili kalcij i aluminij ili bor. Vodeći hidridi su litijev hidrid, natrijev borhidrid, litijev aluminijev hidrid. Razvijaju se i ostale tehnologije skladištenja vodika u čvrstoj fazi (materijalu) kao što su: kemijski hidridi, ugljikove nanostrukture, staklene mikro kuglice, aktivirani ugljik.
2.3 Primjena vodika kao gorivo Vodik se može koristiti u svim primjenama umjesto sadašnjih fosilnih goriva. Gorivo je koje ima visoku ogrjevnu moć, svojim izgaranjem ne zagađuje okoliš, jer jedini nusprodukt koji nastaje njegovim izgaranjem je voda. Danas se najviše upotrebljava u proizvodnji metanola, amonijaka, te pročišćivanju nafte. Može se koristiti kao plinovito gorivo u motorima s unutrašnjim izgaranjem i plinskim turbinama u kojima se dobiva mehanička energija, a može ga se i miješati s prirodnim plinom i spaljivati na gorionicima generatora pare. Mehaničku energiju koja se dobije na osovini motora s unutrašnjim izgaranjem ili turbine moguće je dalje koristiti za proizvodnju električne energije u klasičnim električnim generatorima. Dodavanjem određenih supstanci moguće mu je plamen učiniti vidljivim i uz određenu konstrukciju plamenika mogao bi se koristiti za kuhanje u kućanstvima. Vodik je kao alternativno gorivo zakonom priznat 1992. godine. U današnje vrijeme vodik se smatra jednim od najozbiljnijih kandidata za gorivo budućnosti. Prednosti vodika kao gorivo su:
mogućnost skladištenja
transport putem postojeće infrastrukture (cjevovodi)
može se koristiti za proizvodnju električne struje, topline i kao gorivo
visoka energetska vrijednost
izgaranjem daje čistu vodu
neograničene količine dostupne u spojevima
Nedostaci koji sprječavaju rašireniju uporabu su:
otpuštanje vodika iz spojeva zahtjeva visoke troškove
molekule vodika zbog svoje male veličine mogu iscuriti kroz cjevovode i spremnike (problem skladištenja i transporta)
vodik difundira te narušava kristalnu rešetku metala čineći ih lomljivima
8
Nova tehnologija koja omogućuje proizvodnju električne energije sa visokim stupnjem iskoristivosti su gorivni članci (engl. Fuel Cells) (Slika 6). Gorivni članci su uređaji koji iz goriva proizvode električnu energiju izravnom elektrokemijskom pretvorbom. U njima se vodik spaja s kisikom na način da se odmah osim topline i vode dobiva i električna energija, izbjegnut je međukorak s mehaničkom energijom.
Slika 6: Shema gorivnog članka (Izvor: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Goriva%C4%87elija.JPG)
Princip djelovanja je sličan kao kod akumulatora ili baterije sa jednom osnovnom razlikom, a to je potreba stalnog dotoka goriva, zraka ili kisika. Gorivni članak je galvanski članak u kojem se na elektrodama odvijaju spontane reakcije. Glavni funkcionalni dijelovi gorivnog članka su: dvije elektrode (anoda i katoda), te elektrolit između njih. Gorivo (uglavnom vodik, a može biti i metanol ili drugi tekući ugljikovodik, te metan) oksidira se na anodi, a oksidans (kisik ili zrak) reducira se na katodi (Slika 7).
Slika 7: Kemijske reakcije unutar gorivnog članka (Izvor: [12])
9
Stupanj iskoristivosti gorivnih članaka obično je između 35 i 60% jer gorivo ne izgara, nego dolazi do njegove elektrokemijske oksidacije. Iskoristivost gorivnih članaka nije ograničena osnovnim zakonom po kojemu se vladaju toplinski strojevi (Carnotovim procesom), prema kojemu je gornja teoretska granica iskoristivosti toplinskih strojeva oko 30%. Razlikujemo nekoliko vrsta gorivnih članaka s obzirom na korištenje elektrolita koji imaju različite osobine:
gorivni članci s krutim oksidom
gorivni članci s fosfornom kiselinom
gorivni članci s tekućim karbonatom
gorivni članci s polimernom membranom
alkalni gorivni članci.
Osnovne osobine navedenih gorivnih članaka prikazane su u sljedećoj tablici (Tablica 1). Tablica 1: Osnovne karakteristike gorivnih članaka (Izvor: HyWeb: Knowledge - Hydrogen in the Energy Sector, Wasserstoff und Brennstoffzellen Informations System, 1999, str. 68.)
Tip gorivnog
Elektrolit
Gorivo
Stupanj
članka
Radna
Način korištenja
iskoristivosti temperatura
S krutim
Kruti oksidi ZrO2
oksidom,
/ YO2
CH4, H2, CO
45 - 65%
900 - 1000°C
Velike elektrane (samo el. energija) i
SOFC
mali kogeneracijski sustavi
S tekućim
Tekući karbonati,
prirodni i
karbonatima,
Li2CO3 / K2CO3
generatorski
MCFC
45-60%
650 - 700°C
Velike elektrane (samo el. energija)
plin, H2
S fosfornom
Fosforna kiselina
H2, prirodni
kiselinom,
H3PO4
plin,metanol
Alkalne,
Kalijev
H2, prirodni
AFC
hidroksid, KOH
plin, metanol
35-42%
190 - 210°C
Male elektrane (s kogeneracijom)
PAFC 45-60%
60 - 130°C
Specijalistički (svemirska tehnologija, uporaba u transportu)
S polimernom
Kruta polimerna
H2, metanol,
membranom,
membrana
prirodni plin
PEFC
30-40%
70 - 90°C
Transport, prenosive aplikacije, male stacionarne aplikacije (s kogeneracijom)
10
Britanski znanstvenici W. Nicholson i A. Carlisle opisali postupak elektrolitičke razgradnje vode na kisik i vodik 1800. godine. William R. Grove 1838. godine otkrio je da postavljenjem jednog kraja dviju Pt elektroda u sulfatnu kiselinu, i drugih krajeva elektroda, odvojeno, u spremnik kisika i vodika, protječe stalna električna struja između elektroda (Slika 8). Spremnici plinova sadržavali su i vodu, a zamijetio je da protokom struje razina vode u spremnicima raste. Spajanjem nekoliko parova ovih elektroda u serijski krug, napravio je prvi gorivni članak, kojega je nazvao "plinska baterija" (engl. gas battery). Iako je princip rada gorivnog članka otkriven u 19. stoljeću, njegova primjena u 20. stoljeću bila je uglavnom za potrebe svemirske tehnologije (svemirski programi Gemini, Apollo, Space Shutle). Danas najveću primjenu imaju članci s polimernom membranom (Slika 9).
Slika 8: Groveova "plinska baterija" – prvi gorivni članak (Izvor: http://americanhistory.si.edu/fuelcells/images/grove3a.jpg)
Slika 9: Gorivni članak s polimernom membranom (Izvor: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0d/PEM_fuelcell.svg/400pxPEM_fuelcell.svg.png)
Primjena gorivnih članaka (Slika 10):
za napajanje objekata kao glavni ili pomoćni izvor električne energije
telekomunikacije
prijevozna sredstva - automobili, autobusi, skuteri, zrakoplovi, plovila, željeznica 11
elektronika, prijenosna računala, mobiteli
svemirske letjelice
Slika 10: Gorivni članci u primjeni (Izvor: http://marjan.fesb.hr/~fbarbir/PDFs%20Obnovljivi%20izvori/Vodikove%20tehnologije.pdf)
Najvažnija primjena gorivnih članaka je u automobilskoj industriji. PEM (engl. Proton Exchange Membranegorivni) gorivni članci danas pokreću nekoliko stotina vodikovih automobila širom svijeta. Ti su automobili u pretkomercijalnoj fazi, ali praktički spremni za masovniju proizvodnju. Jedan od prvih automobila koji je bio u komercijalnoj prodaji je Toyota Mirai (Slika 11) iz 2015. godine.
Slika 11: Toyota Mirai (Izvor: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_vehicle)
Prednosti gorivnih članaka:
povoljni za okoliš (produkt oksidacije uglavnom voda)
proizvode istosmjernu struju niskog napona i toplinu (CHP sustavi – učinak do 80 %)
nemaju pokretnih dijelova (slično bateriji, nema gubitka energije na trenje)
12
kontinuirani rad uz stalan dotok vodika i kisika (slično motoru s unutarnjim izgaranjem)
raznolikost po vrsti (tehnologiji), veličini, snazi, gorivu
Neki od nedostataka gorivnih članaka:
trajnost i pouzdanost
proizvodnja vodika (fosilne sirovine u usporedbi s obnovljivim izvorima energije)
troškovi po kW
razgradnja i korozija materijala
pokretanje procesa
skladištenje vodika
Moguća poboljšanja gorivnih članaka:
povećanjem kontaktne površine plin / elektroda / elektrolit (uporabom poroznih elektroda, posebice nanostrukturiranih)
poboljšani elektrokatalizatori
poboljšani i učinkovitiji elektroliti
povećanje radnog tlaka i temperature
odabir i/ili kemijska modifikacija goriva
13
3. Zaključak U prošlom stoljeću započela su istraživanja primjene vodika u energetske svrhe. Veliki napredak na tom polju postignut je tek zadnjih tridesetak godina. U početku se koristio kao gorivo za svemirske letjelice. Korištenjem gorivnih članaka njegova primjena dobiva na važnosti, ozbiljnije se može razmišljati o njemu kao gorivu budućnosti. Velika prepreka za njegovu širu upotrebu je visoka cijena njegove proizvodnje i problemi sa skladištenjem. Najjeftinije metode proizvodnje vodika koje su u komercijalnoj upotrebi zahtijevaju fosilna goriva. Korištenjem neobnovljivih izvora energije ne rješava se problem. Fosilna goriva su u ograničenim zalihama, njihova upotreba prouzrokuje zagađivanje okoliša. Kada bi se potrošile zalihe fosilnih goriva svijet bi bio u energetskoj krizi nesagledivih razmjera. Stoga, rješenje su obnovljivi izvori energije, takozvana „zelena“ energija. Energija je svuda oko nas, samo ju trebamo iskoristiti. Današnja proizvodnja vodika odnosi se uglavnom na reformiranje ugljikovodika vodenom parom i elektrolizu. Reformiranje ugljikovodika je tri puta jeftinije od elektrolize, tim se postupkom u svijetu proizvodi većina vodika. Međutim, vodik dobiven elektrolizom vode je u pravilu veće čistoće. Idealno bi bilo koristiti elektrolizu vode za dobivanje vodika s time da bi se električna struja koja je potrebna za proces proizvodila iz obnovljivih izvora energije (sunčeva energija, energija vjetra). Vodik se proizvodi za potrebe industrije prerade nafte (reformiranjem), prehrambene industrije (elektrolizom), elektroničke industrije i svemirske industrije. Danas je naglasak na razvijanju metoda skladištenja vodika u krutoj fazi. Jedno od rješenja je skladištenje vodika u jeftinom metalnom hidridu. Razvijaju se sve bolji fotonaponski moduli i niskoenergetski objekti, koji će trošiti sve manje energije tako da će se moći i pohranjivati sunčeva energija. Na taj način odvijat će se lokalna proizvodnja vodika, kojim će se objekt opskrbljivati energijom. Objekt će kroz cijelu godinu biti energetski neovisan. Razvoj i ulaganja u tehnologije proizvodnje i primjene vodika iz obnovljivih izvora energije je opravdan, to su čiste tehnologije koje mogu riješiti energetski problem na globalnoj razini kao i smanjiti štetan utjecaj na okruženje u kojem živimo, a koji je doveo do klimatskih promjena.
14
4. Literatura [1]
http://estudent.fpz.hr/Predmeti/E/Ekologija_u_prometu/Materijali/Nastavni_materijal_alternativna_goriva.pdf
[2]
http://marjan.fesb.hr/~fbarbir/PDFs%20Obnovljivi%20izvori/Vodikove%20tehnologije.pdf
[3]
http://www.mojaenergija.hr/index.php/me/Knjiznica/Zelim-znati/Skola-energetike/20-Vodik-i-buduciizvori-energije
[4]
http://ivicakonjarevic.meximas.com/vodik-kao-buduci-izvor-energetike/
[5]
http://korak.com.hr/korak-039-rujan-2012-tehnologija-vodika-smisao-trenutno-stanje-i-perspektiva/
[6]
http://documents.tips/documents/7-vodik-kao-gorivo.html
[7]
https://hr.wikipedia.org/wiki/Vodik
[8]
http://bib.irb.hr/datoteka/53519.EE2000frankovic_et_al.pdf
[9]
https://hr.wikipedia.org/wiki/Vodikova_ekonomija
[10] http://www.pse.pbf.hr/hrvatski/elementi/h/spojevi.html [11] https://www.scribd.com/doc/127162897/Vodik-i-gorive-%C4%87elije-seminar-br-2-tema-11 [12] https://www.fkit.unizg.hr/_download/repository/4_OIE_Jukic_vodik%5B1%5D.pdf [13] http://www.hrastovic-inzenjering.hr/primjena-energije/energetski-clanci/item/436-vodik-je-gorivobuducnosti.html [14] http://www.poslovni.hr/tehnologija/vodik-kao-medij-za-skladistenje-energije-318221 [15] https://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-natural-gas-reforming [16] https://www.britannica.com/science/hydrogen [17] https://www.hindawi.com/archive/2013/690627/ [18] https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/hydrogen.pdf [19] http://cesa.org/assets/2011-Files/Hydrogen-and-Fuel-Cells/CESA-Lipman-H2-prod-storage050311.pdf [20] https://energy.gov/eere/fuelcells/gaseous-hydrogen-delivery
15
5. Popis slika Slika 1: Hindenburg (komercijalni putnički cepelin) (Izvor: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/35/Hindenburg_at_lakehurst.jpg/800pxHindenburg_at_lakehurst.jpg) ................................................................................................................. 3 Slika 2: Fizikalna svojstva i osnovne karakteristike vodika (Izvor: Franković, B., Jedriško, C., Lenić, K., Trp, A.: Istraživanja i razvoj tehnologije vodika, Tehnički fakultet Sveučilišta u Rijeci, Rijeka, 2005. str. 2.)............................................................................................................................................. 3 Slika 3: Proizvodnja vodika iz obnovljivih izvora energije (Izvor: http://ivicakonjarevic.meximas.com/wp-content/uploads/2014/11/nova-slika-vodik.jpg) ..................... 5 Slika 4: Kamion s prikolicom za prijevoz plinovitog vodika (Izvor: https://energy.gov/sites/prod/files/styles/large/public/tube_trailer.jpg?itok=QM_yTKQn) ................... 7 Slika 5: Kamion za prijevoz ukapljenog vodika (Izvor: https://energy.gov/sites/prod/files/styles/large/public/liquid_tanker.jpg?itok=d-Ilf7mj) ........................ 7 Slika 6: Shema gorivnog članka (Izvor: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Goriva%C4%87elija.JPG) ............................... 9 Slika 7: Kemijske reakcije unutar gorivnog članka (Izvor: [12]) ............................................................ 9 Slika 8: Groveova "plinska baterija" – prvi gorivni članak (Izvor: http://americanhistory.si.edu/fuelcells/images/grove3a.jpg) ................................................................. 11 Slika 9: Gorivni članak s polimernom membranom (Izvor: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0d/PEM_fuelcell.svg/400pxPEM_fuelcell.svg.png) .......................................................................................................................... 11 Slika 10: Gorivni članci u primjeni (Izvor: http://marjan.fesb.hr/~fbarbir/PDFs%20Obnovljivi%20izvori/Vodikove%20tehnologije.pdf) ........... 12 Slika 11: Toyota Mirai (Izvor: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_vehicle) ................................ 12
16
6. Popis tablica Tablica 1: Osnovne karakteristike gorivnih članaka (Izvor: HyWeb: Knowledge - Hydrogen in the Energy Sector, Wasserstoff und Brennstoffzellen Informations System, 1999, str. 68.) ...................... 10
17
