Trendy a perspektivy vodíkových palivových článků pro čistou dopravu

Tento článek se zaměří na vodíkové palivové články, trendy a perspektivy jejich aplikace. Palivové články na bázi vodíku dnes přitahují stále větší pozornost v automobilovém průmyslu, protože pokud bylo 20. století stoletím spalovacího motoru, pak se 21. století může stát stoletím vodíkové energie v automobilovém průmyslu. Již dnes díky vodíkovým článkům fungují vesmírné lodě a v některých zemích světa se vodík používá k výrobě elektřiny již více než 10 let.

Vodíkový palivový článek je elektrochemické zařízení jako baterie, které vyrábí elektřinu chemickou reakcí mezi vodíkem a kyslíkem a produktem chemické reakce je čistá voda, při spalování zemního plynu například vzniká oxid uhličitý škodlivý pro životní prostředí.

Vodíkové články navíc mohou pracovat s vyšší účinností, a proto jsou obzvláště perspektivní. Představte si účinné, ekologické motory automobilů.Celá infrastruktura je ale v současnosti vybudovaná a specializovaná na ropné produkty a rozsáhlé zavádění vodíkových článků v automobilovém průmyslu naráží na tuto a další překážky.

Mezitím je již od roku 1839 známo, že vodík a kyslík se mohou chemicky spojovat a tím získávat elektrický proud, to znamená, že proces elektrolýzy vody je vratný – to je potvrzený vědecký fakt. Již v 19. století se začaly zkoumat palivové články, ale rozvoj těžby ropy a vznik spalovacího motoru opustily vodíkové zdroje energie a ty se staly něčím exotickým, nerentabilním a nákladným na výrobu.

V 50. letech byla NASA nucena uchýlit se k vodíkovým palivovým článkům a poté z nutnosti. Potřebovali kompaktní a účinný generátor energie pro svou kosmickou loď. Apollo a Gemini díky tomu letěli do vesmíru na vodíkové palivové články, což se ukázalo jako nejlepší řešení.

Palivové články jsou dnes zcela mimo experimentální technologii a za posledních 20 let došlo k výraznému pokroku v jejich širší komercializaci.

Ne nadarmo se do vodíkových palivových článků vkládají velké naděje. V procesu jejich práce je znečištění životního prostředí minimální, technické výhody a bezpečnost jsou zřejmé, navíc je tento typ paliva v podstatě autonomní a je schopen nahradit těžké a drahé lithiové baterie.

Palivo vodíkového článku se přeměňuje na energii přímo v průběhu chemické reakce a získá se zde více energie než při klasickém spalování.Spotřebovává méně paliva a účinnost je třikrát vyšší než u podobného zařízení využívajícího fosilní paliva.

Účinnost bude tím vyšší, čím lépe organizovaný způsob využití vody a tepla vzniklého při reakci. Emise škodlivých látek jsou minimální, protože se uvolňuje pouze voda, energie a teplo, přičemž i při nejúspěšněji organizovaném procesu spalování tradičního paliva nevyhnutelně vznikají oxidy dusíku, síra, uhlík a další zbytečné produkty spalování.

Kromě toho samotný průmysl konvenčních paliv má škodlivý vliv na životní prostředí a vodíkové palivové články se vyhýbají nebezpečné invazi do ekosystému, protože výroba vodíku je možná ze zcela obnovitelných zdrojů energie. Dokonce i únik tohoto plynu je neškodný, protože se okamžitě odpařuje.

U palivového článku nezáleží na tom, z jakého paliva se vodík pro jeho provoz získává. Hustota energie v kWh/l bude stejná a tento ukazatel se neustále zvyšuje se zdokonalováním technologie výroby palivových článků.

Samotný vodík lze získat z jakéhokoli vhodného lokálního zdroje, ať už jde o zemní plyn, uhlí, biomasu nebo elektrolýzu (přes větrnou, solární energii atd.). Mizí závislost na regionálních dodavatelích elektřiny, systémy jsou většinou nezávislé na elektrických sítích.

Provozní teploty článku jsou poměrně nízké a mohou se v závislosti na typu článku pohybovat od 80 do 1000 °C, zatímco teplota v běžném moderním spalovacím motoru dosahuje 2300 °C.Palivový článek je kompaktní, při výrobě vydává minimum hluku, nemá emise škodlivých látek, lze jej tedy umístit na jakékoli vhodné místo v systému, ve kterém pracuje.

V zásadě lze nejen elektřinu, ale i teplo, které se uvolní při chemické reakci, využít k užitečným účelům, například k ohřevu vody, vytápění nebo chlazení – tímto přístupem se účinnost výroby energie v článku přiblíží 90 %.

Články jsou citlivé na změny zátěže, takže s rostoucí spotřebou energie je třeba dodávat více paliva. Je to podobné, jako funguje benzínový motor nebo spalovací generátor. Technicky je palivový článek implementován poměrně jednoduše, protože nemá žádné pohyblivé části, konstrukce je jednoduchá a spolehlivá a pravděpodobnost selhání je v zásadě extrémně malá.

Vodíkovo-kyslíkový palivový článek s protonovýměnnou membránou (například «s polymerním elektrolytem») obsahuje membránu vedoucí protony z polymeru (Nafion, polybenzimidazol atd.), která odděluje dvě elektrody - anodu a katodu. Každá elektroda je obvykle uhlíková deska (matrice) s naneseným katalyzátorem – platinou nebo slitinou platinoidů a jiných sloučenin.

Na anodovém katalyzátoru molekulární vodík disociuje a ztrácí elektrony. Vodíkové kationty jsou transportovány přes membránu ke katodě, ale elektrony jsou darovány do vnějšího okruhu, protože membrána neumožňuje průchod elektronů. Na katodovém katalyzátoru se molekula kyslíku spojí s elektronem (který je dodáván externí komunikací) a příchozím protonem a vytvoří vodu, která je jediným produktem reakce (ve formě páry a/nebo kapaliny).

Ano, elektromobily dnes jezdí na lithiové baterie. Nahradit je však mohou vodíkové palivové články. Místo baterie unese zdroj energie mnohem menší hmotnost. Výkon vozu lze navíc vůbec zvýšit ne zvýšením hmotnosti přidáním bateriových článků, ale jednoduše úpravou dodávky paliva do systému, když je ve válci. Výrobci automobilů proto mají od vodíkových palivových článků velká očekávání.

Před více než 10 lety začaly práce na vytvoření vodíkových aut v mnoha zemích světa, zejména v USA a Evropě. Kyslík lze extrahovat přímo z atmosférického vzduchu pomocí speciální filtrační kompresorové jednotky umístěné na palubě vozidla. Stlačený vodík je skladován v těžké láhvi pod tlakem asi 400 atm. Tankování trvá několik minut.

Koncept městské dopravy šetrné k životnímu prostředí je v Evropě uplatňován od poloviny 21. století: takové osobní autobusy se již dlouho vyskytují v Amsterdamu, Hamburku, Barceloně a Londýně.V metropoli je mimořádně důležitá absence škodlivých emisí a snížení hluku. Coradia iLint, první železniční osobní vlak na vodíkový pohon, vyjel v Německu v roce 2018. Do roku 2021 je plánováno spuštění dalších 14 takových vlaků.

Během příštích 40 let by přechod na vodík jako primární zdroj energie pro automobily mohl způsobit revoluci ve světové energetice a ekonomice. I když je nyní jasné, že ropa a plyn zůstanou hlavním trhem s palivy ještě minimálně dalších 10 let.Některé země však již investují do výroby vozidel s vodíkovými palivovými články, a to navzdory skutečnosti, že je třeba překonat mnoho technických a ekonomických překážek.

Hlavním úkolem je vytvoření vodíkové infrastruktury, bezpečných čerpacích stanic, protože vodík je výbušný plyn. Ať tak či onak, s vodíkem lze výrazně snížit náklady na palivo a údržbu a zvýšit spolehlivost.

Podle předpovědí Bloombergu budou auta do roku 2040 spotřebovávat 1 900 terawatthodin místo současných 13 milionů barelů denně, což bude 8 % poptávky po elektřině, zatímco 70 % ropy, která se dnes na světě vyprodukuje, jde na výrobu pohonných hmot pro dopravu. . Samozřejmě, v tuto chvíli jsou vyhlídky trhu s bateriovými elektromobily mnohem výraznější a působivější než v případě vodíkových palivových článků.

V roce 2017 činil trh s elektrickými vozidly 17,4 miliardy USD, zatímco trh s vodíkovými automobily byl oceněn na pouhé 2 miliardy USD. Navzdory tomuto rozdílu se investoři nadále zajímají o vodíkovou energii a financují nový vývoj.

V roce 2017 tak vznikla Vodíková rada, která zahrnuje 39 významných výrobců automobilů jako Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Jeho účelem je výzkum a vývoj nových vodíkových technologií a jejich následná široká distribuce.