Trends og udsigter for brintbrændselsceller til ren transport

Denne artikel vil fokusere på brintbrændselsceller, tendenser og udsigter for deres anvendelse. Brintbaserede brændselsceller tiltrækker sig stigende opmærksomhed i bilindustrien i dag, for hvis det 20. århundrede var forbrændingsmotorens århundrede, så kan det 21. århundrede blive brintenergiens århundrede i bilindustrien. . Allerede i dag fungerer rumskibe takket være brintceller, og i nogle lande i verden er brint blevet brugt i mere end 10 år til at generere elektricitet.

En brintbrændselscelle er en elektrokemisk enhed som et batteri, der genererer elektricitet gennem en kemisk reaktion mellem brint og ilt, og produktet af den kemiske reaktion er rent vand, mens afbrænding af naturgas for eksempel producerer miljøskadelig kuldioxid.

Derudover kan brintceller fungere med højere effektivitet, hvorfor de er særligt lovende. Forestil dig effektive, miljøvenlige bilmotorer.Men hele infrastrukturen er i øjeblikket bygget og specialiseret til petroleumsprodukter, og den storstilede introduktion af brintceller i bilindustrien står over for denne og andre forhindringer.

I mellemtiden har det siden 1839 været kendt, at brint og oxygen kan kombineres kemisk og derved opnå en elektrisk strøm, det vil sige, at processen med elektrolyse af vand er reversibel - dette er en bekræftet videnskabelig kendsgerning. Allerede i 1800-tallet begyndte man at studere brændselsceller, men udviklingen af ​​olieproduktion og skabelsen af ​​forbrændingsmotoren efterlod brintenergikilder, og de blev noget eksotisk, urentabelt og dyrt at producere.

I 1950'erne blev NASA tvunget til at ty til brintbrændselsceller, og så af nød. De havde brug for en kompakt og effektiv strømgenerator til deres rumfartøj. Som følge heraf fløj Apollo og Gemini ud i rummet på brintbrændselsceller, hvilket viste sig at være den bedste løsning.

I dag er brændselsceller helt ude af eksperimentel teknologi, og i de sidste 20 år er der sket betydelige fremskridt i deres bredere kommercialisering.

Det er ikke forgæves, at der stilles store forhåbninger til brintbrændselsceller. I processen med deres arbejde er miljøforurening minimal, tekniske fordele og sikkerhed er indlysende, desuden er denne type brændstof grundlæggende autonom og er i stand til at erstatte tunge og dyre lithiumbatterier.

Brændstoffet i en brintcelle omdannes direkte til energi i løbet af en kemisk reaktion, og her opnås mere energi end ved konventionel forbrænding.Det bruger mindre brændstof, og effektiviteten er tre gange højere end en tilsvarende enhed, der bruger fossile brændstoffer.

Effektiviteten vil være jo højere, jo bedre organiseret er måden at udnytte vandet og den varme, der genereres under reaktionen. Emissioner af skadelige stoffer er minimale, da kun vand, energi og varme frigives, mens der selv med den mest velorganiserede proces med afbrænding af traditionelt brændstof, dannes nitrogenoxider, svovl, kulstof og andre unødvendige forbrændingsprodukter uundgåeligt.

Derudover har konventionelle brændselsindustrier i sig selv en skadelig effekt på miljøet, og brintbrændselsceller undgår en farlig invasion af økosystemet, da produktion af brint er mulig fra fuldstændigt vedvarende energikilder. Selv lækagen af ​​denne gas er harmløs, da den fordamper øjeblikkeligt.

Brændselscellen er ligegyldig, fra hvilket brændstof brint opnås til dens drift. Energitætheden i kWh/l vil være den samme, og denne indikator stiger konstant med forbedringen af ​​teknologien til at skabe brændselsceller.

Selve brinten kan fås fra enhver bekvem lokal kilde, hvad enten det er naturgas, kul, biomasse eller elektrolyse (gennem vind, solenergi osv.) Afhængigheden af ​​regionale elleverandører forsvinder, systemerne er normalt uafhængige af elektriske netværk.

Cellens driftstemperaturer er ret lave og kan variere fra 80 til 1000 ° C, afhængigt af typen af ​​element, mens temperaturen i en konventionel moderne forbrændingsmotor når 2300 ° C.Brændselscellen er kompakt, udsender et minimum af støj under generering, har ingen emissioner af skadelige stoffer, så den kan placeres et hvilket som helst bekvemt sted i systemet, hvor den fungerer.

I princippet kan ikke kun elektricitet, men også den varme, der frigives ved en kemisk reaktion, bruges til nyttige formål, for eksempel til opvarmning af vand, rumopvarmning eller afkøling - med denne tilgang vil effektiviteten af ​​at generere energi i en celle nærme sig 90 %.

Cellerne er følsomme over for ændringer i belastningen, så efterhånden som strømforbruget stiger, skal der tilføres mere brændstof. Dette svarer til, hvordan en benzinmotor eller forbrændingsgenerator fungerer. Teknisk set er brændselscellen implementeret ganske enkelt, da der ikke er nogen bevægelige dele, designet er enkelt og pålideligt, og sandsynligheden for fejl er grundlæggende ekstremt lille.

En brint-ilt-brændselscelle med en protonudvekslingsmembran (for eksempel «med en polymerelektrolyt») indeholder en membran, der leder protoner fra en polymer (Nafion, polybenzimidazol osv.), som adskiller to elektroder - en anode og en katode. Hver elektrode er normalt en kulstofplade (matrix) med en understøttet katalysator - platin eller en legering af platinoider og andre forbindelser.

På anodekatalysatoren dissocierer molekylært hydrogen og taber elektroner. Brintkationer transporteres over membranen til katoden, men elektroner doneres til det eksterne kredsløb, fordi membranen ikke tillader elektroner at passere igennem. På katodekatalysatoren kombineres iltmolekylet med en elektron (som forsynes af ekstern kommunikation) og en indkommende proton og danner vand, som er det eneste produkt af reaktionen (i form af damp og/eller væske).

Ja, elbiler kører i dag på lithium-batterier. Imidlertid kan brintbrændselsceller erstatte dem. I stedet for et batteri vil strømkilden understøtte meget mindre vægt. Derudover kan bilens effekt slet ikke øges på grund af vægtstigningen på grund af tilføjelsen af ​​battericeller, men blot ved at justere tilførslen af ​​brændstof til systemet, mens det er i cylinderen. Derfor har bilfabrikanterne store forventninger til brintbrændselsceller.

For mere end 10 år siden begyndte arbejdet med at skabe brintbiler i mange lande rundt om i verden, især i USA og Europa. Ilt kan udvindes direkte fra atmosfærisk luft ved hjælp af en speciel filtrerende kompressorenhed placeret om bord på køretøjet. Komprimeret brint opbevares i en kraftig cylinder under et tryk på omkring 400 atm. Tankning tager et par minutter.

Konceptet med miljøvenlig bytransport har været anvendt i Europa siden midten af ​​2000'erne: Sådanne passagerbusser har man længe fundet i Amsterdam, Hamborg, Barcelona og London.I en metropol er fraværet af skadelige emissioner og reduceret støj ekstremt vigtigt. Coradia iLint, det første brintdrevne jernbanepassagertog, lanceret i Tyskland i 2018. I 2021 er der planlagt lanceret 14 flere sådanne tog.

I løbet af de næste 40 år kan skiftet til brint som den primære energikilde til biler revolutionere verdens energi og økonomi. Selvom det nu står klart, at olie og gas vil forblive det vigtigste brændstofmarked i mindst 10 år endnu.Ikke desto mindre investerer nogle lande allerede i skabelsen af ​​køretøjer med brintbrændselsceller, på trods af at mange tekniske og økonomiske barrierer skal overvindes.

At skabe brintinfrastruktur, sikre tankstationer er hovedopgaven, fordi brint er en eksplosiv gas. Uanset hvad, med brint kan brændstof- og vedligeholdelsesomkostninger til køretøjer reduceres betydeligt, og pålideligheden kan øges.

Ifølge Bloombergs prognoser vil biler i 2040 forbruge 1.900 terawatt-timer i stedet for de nuværende 13 millioner tønder om dagen, hvilket vil være 8 % af elefterspørgslen, mens 70 % af den olie, der produceres i verden i dag, går til produktion af transportbrændstof . Naturligvis på dette tidspunkt er udsigterne for markedet for batterielektriske køretøjer meget mere udtalte og imponerende end i tilfældet med brintbrændselsceller.

I 2017 var markedet for elbiler 17,4 milliarder dollars, mens brintbilmarkedet blev vurderet til kun 2 milliarder dollars. På trods af denne forskel er investorer fortsat interesserede i brintenergi og finansierer nye udviklinger.

I 2017 blev Hydrogen Council således oprettet, som omfatter 39 store bilproducenter som Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Dens formål er at forske i og udvikle nye brintteknologier og deres efterfølgende udbredte udbredelse.