ENERGIJA

Pripremio: Jozef Baruhović

Gorivne ćelije

Od kućnog osvetljenja do podmornice

Za razliku od klasičnih generatora, gorivna ćelija (GC) je bez pokretnih rotirajućih delova, vrlo je tiha u radu (proizvodi buku ispod 60 db) i ne zahteva skoro nikakvo održavanje. U osnovi, GC hemijsku energiju pretvara u električnu i za rad troši gorivo. Da bi proizvela električnu energiju, GC mora da ima stalni dotok goriva, što je osnovna razlika između gorivne ćelije i akumulatorske i obične baterije. Gorivo koje troši su vodonik i kiseonik.

Autobus sa pogonom na gorivne ćelije

Princip rada GC bio je poznat u 19. veka. Otkrio ga je nemački naučnik Kristijan Šonhajn (Christian Schonhein), 1838. godine. Fizičar Vilijem Grou (William Grove), iz Velsa, izradio je prvu GC 1839. godine. NASA je 1959. koristila GC u svemirskom programu „Džemini“ - za napajanje energijom satelita i svemirskuh kapsula. Kao gorivo korišćeni su vodonik i kiseonik, a proizvod sagorevanja bila je voda. Od tada GC nalazi primenu u komercijalnim, industrijskim, vojnim i drugim objektima, uglavnom kao pomoćni izvor napajanja. Godine 1991. napravljeno je prvo vozilo sa GC kao izvorom elektricne energije za napajanje elektro-pogonskog motora.

Vrste gorivnih ćelija

GC se proizvode u više varijanti, zavisno od snage koju daju i namene za koju se predviđene. Dele se i prema temperaturama na kojima rade: niskotemperaturne rade u opsegu 50-120 stepeni Celzijusa, i visokotemperaturne koje rade u opsegu 600-700 stepeni Celzijusa. Prema vrsti elektrolita, postoje tzv. “alkalne“ i ”protonske” sa izmenjivačkim membranama, zatim sa metanolom, (DMFC 4), sa istopljenim karbonatima (“molten carbonate MCFC”) koje rade na temperaturama od 600-700 stepeni Celzijusa, sa oksidima u čvrstom stanju (”solide oxide” i SOFC) koje rade na temperaturama 700-1000 stepeni Celzijusa.

Sve GC rade na istom principu i sastoje se iz tri glavna dela: anode, katode i elektrolita. Rezultat hemijskih procesa koji se odigravaju u GC tj. rezultat dve hemijske reakcije koje se odigravaju u GC su proizvedena električna energija, voda i ugljen-dioksid. Pod dejstvom katalizatora, vodonik na anodi se razbija na pozitivni jon i negativni elektron. Pozitivni jon prolazi kroz elektrolit i dolazi na katodu. Negativni elektron prolazi kroz električni provodnik i, preko električnog potrošača i povratnog provodnika, dolazi na katodu. Na katodi se odvija drugi hemijski proces: elektron i pozitivni jon se spajaju i, zajedno sa kiseonikom, proizvode vodu.

Vodonik, kao osnovno gorivo za GC spada u najrasprostranjenije elemente na planeti - ali ga nema u slobodnom stanju u prirodi. Stvara jedinjenja sa kiseonikom i ugljenikom: sa ugljenikom stvara niz organskih jedinjenja a sa kiseonikom stvara molekul vode, koja zauzima 3 površine planete. Za potrebe GC, vodonik se može dobiti iz vode ili bilo kog organskog jedinjenja bogatog vodonikom.

Gorivo za GC dobija se pretežno iz grupe ugljovodonika: metana, metanola, propana, etana i prirodnog gasa i, ređe, elektrolizom vode.

Dobijanje vodonika

Razvijeno je više komercijalnih postupaka za dobijanje vodonika:

- Reformni postupak sa vodenom parom, gde se vodonik dobija iz prirodnog gasa. Prema ovom postupku, metan (CH4) reagije sa vodenom parom, uz prisustvo elemenata koji ubrzavaju hemijske procese. Krajnji proizvod je vodonik (H2), a sporedni su ugljen-monoksid (CO1) i ugljen-dioksid (CO2) u zanemarljivim količinama. Isti princip dobijanja vodonika vredi i za ostale ugljo-vodonike, gde se uvek koristi vodena para visoke temperature.

- Fotoelektrohemijski postupak, gde se koristi sunčeva energija za direktno razdvajanje vode na kiseonik i vodonik.

- Solarni termalni postupak gde se koncentrisana sunčeva energija, temperature 300-2000 stepeni Celzijusa, koristi za cepanje metana na vodonik i kiseonik.

- Postupak elektrolizom vode, gde se koristi električna energija za razdvajanje vode na vodonik i kiseonik.

- Postupak dobijanja vodonika iz bakterija i algi, gde bakterije proizvode vodonik kroz normalni proces svog metabolizma.

Pošto nema sagorevanja, GC su efikasnije u radu i stepen korisnog dejstva kreće se u granicama 40-50%. Ako GC radi u sistemu kogeneracije, tj. koristi se i toplota koja nastaje pri radu GC, stepen korisnog dejstva iznosi 80-90%. GC je 2-3 puta efikasnija od motora sa unutrašnjim sagorevanjem .

Bez vodonika sa strane

Sa stanovišta očuvanja životne sredine, vodonik je kao gorivo vrlo prihvatljiv. Lakši je od vazduha, nije otrovan, ne zagađuje čovekovu sredinu, bez mirisa je i ukusa, bezbojan je. Emisija štetnih gasova je zanemarljiva.

GC daje napon od 0,6-0,7 V. Taj napon opada pri porastu opterećenja. Da bi se dobio viši napon na izlazu, potrebno je više GC povezati na red a za jaču struju potrebno je više ćelija povezati paralelno.

Podmornica sa pogonom na gorivne ćelije

Za razliku od čisto “vodoničnih” GC, više su u upotrebi ćelije koje kao gorivo koriste jedinjenja ugljenika i vodonika, tj. ugljovodonike: prirodni gas, biogas, gas dobijen iz uglja, dizel gorivo... Kod takvih GC krajnji proizvodi su, pored električne energije, ugljen-dioksid i voda.

U upotrebi su i GC koje rade na temperaturama 800-1000 stepeni Celzijusa. Kod ovih tipova ćelija, elektrolit je u čvrstom stanju. Koriste se i GC koje rade sa karbonatnim solima u istopljenom stanju kao elektrolitom. Rade pri temperaturama od 650 stepeni Celzijusa i kao gorivo mogu koristiti fosilna goriva bogata ugljovodonicima. Neophodni vodonik dobija se iz jedinjenja bogatih ugljovodonicima. Kod ovih tipova GC, prednost je u tome da izostaje potreba da se vodonik u GC dovodi sa strane. Stepen iskorišćenja ovih ćelija kreće se u granicama 50-65%. Sa tečnim elektrolitom sa fosfornom kiselinom stepen korisnosti kreće se u granicama 37-42%.

Vodonik je vrlo eksplozivan gas i zahteva opreznost pri pretakanju i tankiranju. Za sada pruža ograničene mogućnosti za potrebe saobraćaja. Ulaganja iznose 5000 $/kW, dok su za ostala energetska postrojenja u granicama 1000-1500 $/kW.

Vodonik se skladišti kao gas i kao tečnost. Da bi se pretvorio u tečno stanje, potrebne su temperature od 240 stepeni Celzijusa. U distributivnim stanicama za vodonik, drži se pod pritiskom od 300-700 bara. Iako se smatra da je vodonik gorivo budućnosti, ima dosta problema da dođe do njegove masovne upotrebe, posebno u saobraćaju, gde se očekuje da se sa jednim punjenjem rezervoara pređe rastojanje od 400 km. Danas u svetu postoji stotinak stanica za punjenje vodonikom, gde se punjenje obavlja kao i kod klasičnih benzinskih pumpi - za nekoliko minuta.

Primena gorivnih ćelija

GC su pomoćni pouzdani izvori električne energije u objektima gde je potrebna skoro stopostotna pouzdanost u radu. Havarijski ispadi mreže posebno su štetni za objekte kao što su: bolnice, banke, telekomunikacioni centri, kontrolni vojni centri (gde se traži pouzdanost snabdevanja električnom energijom preko 99%). Postojeće električne mreže ne mogu da osiguraju takav stepen pouzdanosti, posebno u udaljenim naseljima i u uslovima nevremena. Prednost u odnosu na postojeće uređaje za pomoćno napajanje (dizel električni agregati) je ta da su GC skoro bešumne u radu i ne ispuštaju otrovne gasove, tako da se mogu postaviti u stambenim i komercijalnim objektima, naseljima i parkovima.

Ako GC uporedimo sa električnom akumulatorskom baterijom, prednost je na strani GC. U prednosti su u pogledu energetske gustine, težine, gabarita i dugovečnosti (vek GC je 10 puta duži od veka klasične akumulatorske baterije). Kapacitet GC zavisi isključivo od veličine rezervoara za gorivo (vodonik) dok je kapacitet akumulatorske baterije ograničen na nekoliko sati rada.

GC su kompaktne i pouzdane u radu, kompatibilne sa obnovljivim izvorima energije (vetar i sunce) gde mogu da budu bazni isporučilac energije. U stambenim zgradama mogu biti vrlo efikasne jer proizvode električnu energiju a razvijena toplota može se koristiti za zagrevanje stanova.

Stacionarne GC imaju primenu u industriji, komercijalnim i stambenim objektima, u vojnoj industriji kao sigurnosni izvori električne energije za pomoćno napajanje. Posebno se primenjuju u udaljenim naseljima koja nisu priključena na električnu mrežu, zatim za udaljene relejne i meteorološke stanice, u nekim vojnim postrojenjima.

Pokretne GC koriste se u saobraćaju i vasionskim programima. Još se šire ne koriste u autobilizmu. Proizvedeno je svega nekoliko vozila sa ovim ćelijama a postignut je domet od 400 km između dva punjenja rezervoara. Nešto veću primenu našle su u autobusima za gradski i međugradski saobraćaj. U Nemačkoj je izrađena podmornica sa GC gorivnim ćelijama snage 9x30 kW.

Jozef Baruhović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja