Lidé a země na celém světě se stále více znepokojují, protože klimatické problémy nabývají na síle. Vlády po celém světě hledají ekologičtější a dlouhodobé zdroje výroby energie. To vše dobře dokládá zvýšená implementace obnovitelných technologií, jako jsou elektromobily. Technologie palivových článků je další inovací, která získává na popularitě po celém světě.
Technologie palivových článků vytváří vodu z kyslíku a vodíku a současně generuje energii. Funguje podobně jako baterie. Nepotřebuje však další dobíjení. Může vyrábět energii, pokud je k dispozici palivo a kyslík. Palivové články jsou považovány za zdroj energie budoucnosti a také za přicházející inovace. Navzdory všeobecnému přesvědčení je skutečností, že palivové články mají výhody i nevýhody jak při jejich použití, tak při výrobě. Zde podrobně probereme různé aspekty jejich výhod a nevýhod.
Výhody palivových článků
Vodíkové palivové články mají několik výhod oproti jiným zdrojům energie, jako jsou následující:
Obnovitelné a snadno dostupné
Vodík je zdaleka nejrozšířenějším prvkem na Zemi. Bez ohledu na obtíže při získávání z vody se jedná o zvláště udržitelnou a neomezenou formu energie, díky čemuž je ideální pro naše potenciální potřeby integrovaného tepla a elektřiny s nulovými emisemi uhlíku.
Dobře kompetentní ve srovnání s jinými zdroji energie
Vodíkové palivové články jsou při výrobě elektřiny účinnější než jiné konvenční zdroje energie, včetně mnoha možností zelené energie. Tato palivová účinnost umožňuje vyšší produktivní kapacitu na kilogram paliva. Typická zapalovací elektrárna například generuje energii s účinností 33-35 procent, ale vodíkový palivový článek potenciálně vytváří elektřinu s účinností přibližně 65 procent.
Vodík je spolehlivý a adaptabilní zdroj energie, který může pomoci s nulovými uhlíkovými energetickými iniciativami
Protože jedinými vedlejšími produkty jsou voda a teplo, vodíkové palivové články poskytují čistou formu energie bez negativního dopadu na životní prostředí po celou dobu výroby. Vodík nevyžaduje velké plochy k výrobě elektřiny ve srovnání s vodní energií a biopalivy. NASA již experimentuje s vodíkem jako zdrojem s kapalinou produkovanou jako vedlejší produkt astronautů konzumujících vodu.
To ukazuje, že vodíkové palivové články nejsou škodlivým zdrojem energie. Měli by být upřednostňováni před fosilními palivy a jadernou energií, které jsou potenciálně nebezpečné a obtížně dostupné. Výroba, sběr a využití vodíku; každý bude hrát klíčovou roli při prosazování udržitelné energie tím, že sladí různé způsoby dodávek se složitými požadavky koncových uživatelů, čímž eliminuje potřebu značných počátečních plateb v energetické infrastruktuře.
Odolnější a energeticky účinnější ve srovnání s fosilními palivy
Technika vodíkových palivových článků poskytuje robustní, vysoce účinný zdroj energie. Hmotnostně má vodík nejvyšší primární energetický výkon ze všech konvenčních paliv. Gravimetrická hustota výkonu vysokotlakého kapalného a parního vodíku je téměř trojnásobná než u zkapalněného zemního plynu a nafty. Objemová hustota výkonu je ekvivalentní zemnímu plynu.
Minimalizuje zbytky uhlíku
Vodíkové palivové články nevypouštějí téměř žádné skleníkové plyny, což při provozu znamená zanedbatelnou uhlíkovou stopu.
Minimální znečištění zvukem
Vodíkové palivové články nevytvářejí nadměrný hluk jako některé jiné alternativní zdroje energie, včetně větrné energie. To také naznačuje, že podobně jako elektrická vozidla vydávají automobily na vodíkový pohon méně zvuků než ty, které používají konvenční spalovací motory.
Minimální vizuální znečištění
Několik redukovaných forem energie, jako je výroba energie z biopaliv a větrné turbíny, může vytvářet některé nepřitažlivé vizuální krajiny; vodíkové palivové články však nevyžadují stejnou plochu, což má za následek mnohem méně bolestí očí.
Emise jsou téměř nulové
Na rozdíl od zemních plynů a uhlí nevypouštějí palivové články oxid uhličitý a další skleníkové plyny, aby přispěly ke globálnímu oteplování, snížení znečištění a zlepšení kvality ovzduší.
Nabíjení zabere málo času
Rychlost nabíjení akumulátorů s vodíkovými palivovými články je rychlá, ekvivalentní s klasickými spalovacími motory (ICE) a mnohem rychlejší než u elektromobilů s dobíjecími bateriemi. Doby nabíjení elektrických vozidel se pohybují od 30 minut do několika hodin, zatímco vodíkové palivové články lze dobít za méně než 5 minut. Zdá se, že díky rychlé době nabíjení poskytují automobily na vodíkový pohon stejnou mobilitu jako konvenční automobily.
Vhodné pro použití na vzdálených místech
Kvůli místním omezením může výroba a skladování vodíku ve vzdálených regionech nahradit elektřinu a topidla na bázi nafty. Poskytování neznečišťující energie získané z místně dostupného zdroje by snížilo potřebu dovážet paliva a zvýšilo životní úroveň jednotlivců žijících ve vzdálených lokalitách.
Rozsáhlé doby využití
Vyšší účinnost z hlediska doby využití je možná s vodíkovými palivovými články. Vodíkové auto má stejnou mobilitu jako automobil, který jezdí na fosilní energii (asi 500 km). To je výhodnější než to, co nyní navrhují elektrická vozidla, obvykle rozšířená o energetické články palivových článků jako zesilovače signálu. Na rozdíl od elektrických vozidel nejsou vodíkové palivové články ovlivněny okolní teplotou a nezhoršují se při nižších teplotách. V kombinaci s rychlým nabíjením se tato výhoda ještě zvýší.
Schopnost přizpůsobit se
Vodíkové palivové články by byly vybaveny tak, aby poskytovaly energii různým papírenským a spotřebitelským zařízením, kdykoli technologie pokročí. Auta na vodíkový pohon jsou jen jedním příkladem; mohou být také použity v menších systémech, jako jsou domácí a komerční ohřívače. Povinnosti systémů skladování energie (tj. palivové nádrže) a kapacity motoru jsou odděleny, podobně jako v elektrárnách ICE. Na druhou stranu, energie spotřebovaná dobíjecí baterií (tj. energie se kvadraticky mění s hmotností) poskytuje značnou flexibilitu designu.
Decentralizace napájení
Vodíkové palivové články mohou umožnit celosvětovou demokratizaci dodávek elektřiny a energie snížením závislosti země na neobnovitelných zdrojích. Různé národy, které jsou závislé pouze na dodávkách fosilní energie, se stále více zajímají o tuto rostoucí nezávislost. Když zásoby poklesnou, mělo by to eliminovat problém rostoucích cen fosilních paliv.
Nevýhody palivových článků
Navzdory výše uvedeným lákavým výhodám palivových článků nyní probereme několik jejich nevýhod:
Odstranění vodíku
Vodík, i když možná nejhojnější prvek na Zemi, nějak neexistuje; musí být sbírán z kapaliny elektrolýzou nebo izolován ze zemního plynu na bázi uhlíku. Každý z těchto procesů nutně zahrnuje značné množství energie. Tento výkon může být větší než výkon získaný ze samotného vodíku, přičemž je navíc nákladný. Navíc toto odstranění obvykle vyžaduje využití fosilní energie, což podkopává ekologickou účinnost vodíku ve zjevném nedostatku zachycování a ukládání uhlíku.
Sběr vodíku
Přeprava a skladování vodíku je mnohem složitější než přeprava a skladování zemního plynu a uhlí. V důsledku toho jsou při použití vodíkových palivových článků jako zdroje energie spojeny další náklady.
Vodík je extrémně hořlavý
Vodík je vysoce hořlavé palivo, které má zjevné bezpečnostní problémy. Při koncentracích od 4 do 75 procent se v atmosféře vznítí plynný vodík.
Významná rozvojová investice
Vodíkové palivové články potřebují finanční prostředky, aby se dostaly do fáze, kdy je lze považovat za udržitelnou formu energie. To bude vyžadovat vládní pobídku k platbě v hotovosti a úsilí o zlepšení a rozšíření inovace. Největší překážkou pro generování dlouhodobé a univerzální vodíkové energie je zjistit, jak zavést nákladově efektivní systém ceny a množství.
Cena surovin
Iridium a platina se běžně používají jako katalyzátory v palivových článcích a některých formách elektrolýzy vody, což znamená, že počáteční náklady na energetické články (a elektrolýzu vody) mohou být vysoké. Někteří lidé váhali utratit za vývoj vodíkových palivových článků kvůli značným nákladům. Aby se vodíkové palivové články staly životaschopným zdrojem energie pro každého, musí být tyto ceny sníženy.
Kumulativní náklady
Vodíkové palivové články v současnosti stojí více na jednotku energie než jiné zdroje energie, včetně solární energie. To by se mohlo změnit s rozvojem technologie, ale v současnosti zůstávají náklady na vodík překážkou jeho širokého používání, i když je po vyrobení efektivnější. Tyto výdaje mají dopad na budoucí ceny, jako je oceňování automobilů na vodíkový pohon, což v té době ztěžuje široké přijetí.
Administrativní potíže
Existují další omezení vyplývající z regulačních otázek souvisejících s fungováním, které odráží scénáře průmyslových aplikací. Komerční podniky se mohou snažit zachovat ekonomickou investiční strategii, pokud neexistují žádné konkrétní právní struktury, které by jim umožnily dosáhnout jejich cílů v oblasti nákladů a přínosů.
Nadace
Vzhledem k tomu, že se fosilní paliva používají léta, rámec pro tento zdroj energie již existuje. Široké přijetí inovací vodíkových palivových článků pro automobilový průmysl si vyžádá novou zásobovací infrastrukturu. Ale pro operace na dlouhé vzdálenosti, jako jsou dodávková vozidla a těžká nákladní vozidla, lze použít palivo od začátku do konce.
Proč investovat do čističky vzduchu?
Výhody vodíkových palivových článků jako jednoho z nejpřijatelnějších obnovitelných zdrojů energie jsou zřejmé. Stále však existuje několik problémů, které je třeba vyřešit, než bude vodík plně realizovat svůj příslib jako významného prostředníka pro budoucí dekarbonizovanou energetickou infrastrukturu.
Na druhou stranu, vodíkové palivové články mohou brzy poskytnout plně obnovitelný a udržitelný zdroj energie pro statické a mobilní operace. Abychom toho dosáhli, je nutné posílit výrobu dekarbonizovaného vodíku a výrobu palivových článků a vytvořit strukturu politiky potřebnou k jasnému definování průmyslových implementací. Jsou plánována další technická vylepšení ke snížení souvisejících nákladů na sběr, skladování a distribuci a vyšší výdaje na infrastrukturu, která to umožní.
Vodík by mohl být vhodnou odpovědí na naše energetické potřeby v nadcházející době. K tomu však bude potřebovat vládní vůli a kapitál. Navíc, jak ubývá fosilních paliv, vodík by se mohl stát nouzovým plánováním pro naši celosvětovou energetickou náročnost.
Eliška Křížová, Fuel Cell Stack Engineer, ve společnosti Bramble Energy, diskutuje o hlavních výzvách vodíkové budoucnosti a některých inovacích, které pomáhají odstranit zátarasy.
V posledních letech se vodík stal tak trochu módním slovem – a to z dobrého důvodu. Je to nejhojnější chemický prvek ve vesmíru a jeden z nejhojnějších na Zemi, kde se většinou nachází ve sloučeninách, jako je voda a uhlovodíky. Při použití jako palivo také neprodukuje žádné skleníkové plyny ani jiné škodlivé emise a má vysoký obsah energie na jednotku hmotnosti, který je vyšší než u tradičních fosilních paliv, jako je benzín.
Zatímco se svět potýká s naléhavou potřebou bojovat proti změně klimatu a snižovat emise skleníkových plynů, tyto jedinečné vlastnosti vidí vodík nabízený jako všestranné a čisté energetické řešení.
I když není pochyb o tom, že má velký příslib pro dekarbonizaci různých sektorů ekonomiky, rozruch kolem vodíku nejen odráží jeho potenciál, ale také složitosti spojené s realizací tohoto potenciálu.
Výzvy ve využití vodíku
Jedna z hlavních výzev vodíkové budoucnosti spočívá ve skutečnosti, že většina vodíku stále pochází z průmyslových procesů, které nejsou ani zdaleka zelené. Od roku 2020 bylo z vody vyrobeno pouze 0.1 % zeleného vodíku elektrolýzou na obnovitelné zdroje.
Kromě nákladů na výrobu a současného nedostatku vodíkové infrastruktury, které představují další překážky, je vodík také vysoce hořlavý a má nízkou energetickou hustotu, což činí skladování a přepravu určitou překážkou.
Krajina se však začala měnit a v reakci na tyto výzvy se rychle objevuje řada inovací a nového myšlení.
V důsledku toho vidíme různé technologie, které přispívají k využití vodíku jako energetického řešení. Mezi ty nejslibnější patří:
Palivové články s vodíkovou polymerní elektrolytovou membránou (PEM) pro výrobu elektřiny
Palivové články s vodíkovou polymerní elektrolytovou membránou (PEM) mají velký potenciál při dekarbonizaci různých odvětví a urychlení přechodu k čistší a udržitelnější budoucnosti.
Palivové články PEM účinně přeměňují vodík a kyslík ze vzduchu na elektřinu prostřednictvím elektrochemické reakce, což znamená, že významnou část energie uložené ve vodíku lze využít a využít pro různé aplikace, jako je pohon vozidel, výroba elektřiny a další. Rozhodující je, že když se vodík používá jako zdroj paliva v palivových článcích PEM, jediným vedlejším produktem je vodní pára, což z něj činí čisté energetické řešení.
Stále však existují překážky, které je třeba překonat. Jedna z hlavních výzev, kterým čelí široké přijetí a ekonomická životaschopnost vodíkových palivových článků, spočívá v jejich odolnosti a stabilitě. Membrána a elektrody v palivovém článku se časem degradují v důsledku různých faktorů, jako je uhlíková koroze v důsledku degradace spouštění a vypínání, stejně jako mechanické a chemické namáhání, jako je studený start a mrazuvzdornost nebo citlivost na nečistoty.
Vodíkové palivové články nefungují dobře v extrémních teplotách, takže je kritické vyvinout účinnou strategii, která umožní spolehlivý studený start a toleranci zamrznutí a také umožní provoz při vysokých teplotách.
Výzkumníci a inženýři aktivně pracují na řešení těchto problémů. Vývojem materiálů, které jsou odolné vůči degradaci a optimalizací konstrukce článku pro minimalizaci stresových faktorů a optimalizací provozu článku, dochází k pokroku v prodloužení životnosti palivových článků a snížení jejich celkových požadavků na údržbu.
Optimalizací všech aspektů konstrukce a provozu palivových článků se můžeme posunout směrem k vyšší hustotě výkonu. To dává velký smysl zejména v systémech, kde jsou zásadní omezení hmotnosti a velikosti, jako jsou bezpilotní letadla (UAV), letadla, auta atd.
Zvýšená hustota výkonu umožňuje menší zásobníky a zvýšené užitečné zatížení. Nejen to, hustota výkonu palivového článku přímo souvisí s jeho účinností – čím vyšší je hustota výkonu, tím více elektřiny lze vyrobit z daného množství paliva, což se promítá do lepší celkové účinnosti systému, což umožňuje lepší využití paliva a snížení energetické ztráty.
Technologie desek s plošnými spoji (PCB) k překonání cenových bariér palivových článků
Deska s plošnými spoji (PCB) je základní součástí moderní elektroniky a slouží jako základní platforma pro připojení a podporu elektronických součástek v elektronických zařízeních. V oblasti vodíkových palivových článků prochází průmysl v současnosti určitou revolucí díky využití dodavatelského řetězce PCB.
Jednou z výzev spojených se soustavou palivových článků je výroba. Vysoké náklady na materiály a složitost výroby byly významnou překážkou jejich komercializace a inovace ve výrobních procesech jsou zásadní pro snížení počátečních nákladů na palivové články. Pomocí technologie PCB jsme schopni proniknout do již zavedeného globálního dodavatelského řetězce průmyslu PCB, což umožňuje vyrábět levné palivové články kdekoli na světě. Po překonání nákladové bariéry otevírá cestu k širšímu přijetí.
Elektrolýza vody pro výrobu vodíku:
Elektrolýza je technologie, která pomocí elektřiny štěpí molekuly vody na vodík a kyslík. Pro tento proces se používají elektrolyzéry a díky pokrokům v této technologii je výroba zeleného vodíku efektivnější a nákladově efektivnější.
Elektrolýza však také není bez problémů. Vedle nákladů, materiálů, škálovatelnosti, přerušovaných zdrojů energie, dopadu na životní prostředí a bezpečnosti je jednou z hlavních výzev energetická účinnost. Proces může být velmi energeticky náročný, zejména při použití elektřiny z neobnovitelných zdrojů.
Pokroky v technologiích elektrolýzy, jako je elektrolýza na výměnné protonové membráně (PEM elektrolýza), se zaměřují na zlepšení energetické účinnosti a další probíhající výzkum a vývoj se zaměřují na zlepšení cenové dostupnosti a škálovatelnosti systémů elektrolýzy, aby se urychlilo přijetí vodíku.
Pohánět vodíkový průmysl kupředu
Kromě výše uvedeného se v současné době vyvíjejí různé další technologie, včetně řešení skladování, způsobů přepravy, senzorů pro bezpečnost a dalších pokroků v metodách výroby vodíku. A co víc, vidíme spoustu práce směrem k vytvoření podpůrných politik a regulačních rámců, které budou zásadní pro podporu růstu odvětví zeleného vodíku a získání přijetí a důvěry veřejnosti.
I když problémy jasně přetrvávají, s neustálým zaměřením na výzkum, vývoj a spolupráci existuje naděje, která pohání vodíkový průmysl směrem k udržitelnější a rozšířenější budoucnosti.
Tento kousek napsala a poskytla Eliška Křížová z Bramble Energy
