Temiz ulaşım için hidrojen yakıt hücrelerine yönelik eğilimler ve beklentiler

Bu makale, hidrojen yakıt hücrelerine, bunların uygulamalarına yönelik eğilimlere ve beklentilere odaklanacaktır. Hidrojen bazlı yakıt hücreleri, bugün otomotiv endüstrisinde giderek daha fazla ilgi görüyor çünkü 20. yüzyıl içten yanmalı motorların yüzyılıysa, 21. yüzyıl da otomotiv endüstrisinde hidrojen enerjisinin yüzyılı olabilir. Daha bugün hidrojen hücreleri sayesinde uzay gemileri çalışıyor ve dünyanın bazı ülkelerinde hidrojen 10 yılı aşkın süredir elektrik üretmek için kullanılıyor.

Hidrojen yakıt hücresi, hidrojen ve oksijen arasındaki kimyasal reaksiyon yoluyla elektrik üreten, pil gibi elektrokimyasal bir cihazdır ve kimyasal reaksiyonun ürünü saf su iken, örneğin doğal gazın yanması çevreye zararlı karbondioksit üretir.

Ek olarak, hidrojen hücreleri daha yüksek verimlilikle çalışabilir, bu nedenle özellikle umut vericidirler. Verimli, çevre dostu araba motorları hayal edin.Ancak tüm altyapı şu anda petrol ürünleri için inşa edilmiş ve uzmanlaşmıştır ve otomotiv endüstrisinde hidrojen hücrelerinin büyük ölçekli olarak piyasaya sürülmesi bu ve diğer engellerle karşı karşıyadır.

Bu arada, 1839'dan beri hidrojen ve oksijenin kimyasal olarak birleşebileceği ve böylece bir elektrik akımı elde edebileceği, yani suyun elektrolizi işleminin tersine çevrilebileceği biliniyor - bu doğrulanmış bir bilimsel gerçek. Daha 19. yüzyılda yakıt pilleri üzerinde çalışılmaya başlandı, ancak petrol üretiminin gelişmesi ve içten yanmalı motorların yaratılması hidrojen enerji kaynaklarını terk etti ve bunlar egzotik, kârsız ve üretimi pahalı bir şey haline geldi.

1950'lerde NASA, hidrojen yakıt hücrelerine başvurmak zorunda kaldı ve ardından zorunluluktan çıktı. Uzay araçları için kompakt ve verimli bir güç jeneratörüne ihtiyaçları vardı. Sonuç olarak Apollo ve Gemini, en iyi çözüm olduğu ortaya çıkan hidrojen yakıt hücreleri üzerinde uzaya uçtu.

Bugün, yakıt hücreleri tamamen deneysel teknolojinin dışındadır ve son 20 yılda bunların daha geniş ticarileştirilmesinde önemli ilerleme kaydedilmiştir.

Hidrojen yakıt hücrelerine büyük umutlar verilmesi boşuna değildir. Çalışma sürecinde çevre kirliliği minimumdur, teknik avantajlar ve güvenlik açıktır, ayrıca bu tür yakıt temelde özerktir ve ağır ve pahalı lityum pillerin yerini alabilir.

Bir hidrojen hücresinin yakıtı, bir kimyasal reaksiyon sırasında doğrudan enerjiye dönüştürülür ve burada geleneksel yanmadan daha fazla enerji elde edilir.Daha az yakıt tüketir ve fosil yakıt kullanan benzer bir cihaza göre üç kat daha verimlidir.

Verimlilik, reaksiyon sırasında üretilen su ve ısıyı kullanma şekli ne kadar iyi organize olursa o kadar yüksek olacaktır. Yalnızca su, enerji ve ısı açığa çıktığı için zararlı madde emisyonları minimum düzeydedir ve en başarılı şekilde organize edilmiş geleneksel yakıt yakma sürecinde bile, nitrojen oksitler, kükürt, karbon ve diğer gereksiz yanma ürünleri kaçınılmaz olarak oluşur.

Ek olarak, geleneksel yakıt endüstrilerinin çevre üzerinde zararlı bir etkisi vardır ve hidrojen yakıt hücreleri, tamamen yenilenebilir enerji kaynaklarından hidrojen üretimi mümkün olduğundan, ekosistemin tehlikeli bir şekilde işgal edilmesini önler. Bu gazın sızıntısı bile anında buharlaştığı için zararsızdır.

Yakıt hücresinin çalışması için hidrojenin hangi yakıttan elde edildiği önemli değildir. KWh / l cinsinden enerji yoğunluğu aynı olacaktır ve bu gösterge, yakıt hücreleri oluşturma teknolojisinin gelişmesiyle sürekli artmaktadır.

Hidrojenin kendisi, doğal gaz, kömür, biyokütle veya elektroliz (rüzgar, güneş enerjisi vb. yoluyla) olsun, uygun herhangi bir yerel kaynaktan elde edilebilir. Bölgesel elektrik tedarikçilerine bağımlılık ortadan kalkar, sistemler genellikle elektrik şebekelerinden bağımsızdır.

Hücrenin çalışma sıcaklıkları oldukça düşüktür ve elemanın tipine göre 80 ile 1000°C arasında değişebilirken, geleneksel modern bir içten yanmalı motorda sıcaklık 2300°C'ye ulaşır.Yakıt hücresi kompakttır, üretim sırasında minimum gürültü yayar, zararlı madde emisyonu yoktur, bu nedenle çalıştığı sistemde herhangi bir uygun yere yerleştirilebilir.

Prensip olarak, sadece elektrik değil, aynı zamanda bir kimyasal reaksiyon sırasında açığa çıkan ısı, örneğin suyu ısıtmak, mahal ısıtmak veya soğutmak gibi faydalı amaçlar için kullanılabilir - bu yaklaşımla, bir hücrede enerji üretme verimliliğine yaklaşılacaktır. %90

Hücreler yükteki değişikliklere karşı hassastır, bu nedenle güç tüketimi arttıkça daha fazla yakıt sağlanmalıdır. Bu, bir benzinli motorun veya içten yanmalı jeneratörün çalışma şekline benzer. Teknik olarak, yakıt hücresi oldukça basit bir şekilde uygulanır, çünkü hareketli parça yoktur, tasarım basit ve güvenilirdir ve arıza olasılığı temelde son derece düşüktür.

Proton değişim zarına sahip bir hidrojen-oksijen yakıt hücresi (örneğin «bir polimer elektrolit ile»), iki elektrodu - bir anot ve bir katot - ayıran bir polimerden (Nafion, polibenzimidazol, vb.) Protonları ileten bir zar içerir. Her elektrot, genellikle desteklenen bir katalizör - platin veya platinoidlerin ve diğer bileşiklerin bir alaşımı olan bir karbon plakadır (matris).

Anot katalizöründe, moleküler hidrojen ayrışır ve elektronları kaybeder. Hidrojen katyonları zar boyunca katoda taşınır, ancak zar elektronların geçmesine izin vermediği için elektronlar dış devreye bağışlanır. Katot katalizöründe, oksijen molekülü bir elektron (dış iletişimle sağlanan) ve gelen bir proton ile birleşerek reaksiyonun tek ürünü olan suyu (buhar ve/veya sıvı halde) oluşturur.

Evet, bugün elektrikli arabalar lityum pillerle çalışıyor. Bununla birlikte, hidrojen yakıt hücreleri bunların yerini alabilir. Pil yerine, güç kaynağı çok daha az ağırlığı destekleyecektir. Ayrıca, akü hücrelerinin eklenmesi nedeniyle ağırlık artışı nedeniyle arabanın gücü hiç artırılamaz, ancak sadece silindir içindeyken sisteme yakıt beslemesi ayarlanarak artırılabilir. Bu nedenle otomobil üreticilerinin hidrojen yakıt hücrelerinden beklentileri yüksektir.

10 yılı aşkın bir süre önce, başta ABD ve Avrupa olmak üzere dünyanın birçok ülkesinde hidrojen arabalarının yaratılmasına yönelik çalışmalar başladı. Oksijen, araçta bulunan özel bir filtreleme kompresör ünitesi kullanılarak atmosferik havadan doğrudan çekilebilir. Sıkıştırılmış hidrojen, yaklaşık 400 atm'lik bir basınç altında ağır hizmet tipi bir silindirde depolanır. Yakıt ikmali birkaç dakika sürer.

Çevre dostu şehir içi ulaşım konsepti Avrupa'da 2000'li yılların ortalarından beri uygulanmaktadır: bu tür yolcu otobüsleri uzun süredir Amsterdam, Hamburg, Barselona ve Londra'da bulunmaktadır.Bir metropolde, zararlı emisyonların olmaması ve azaltılmış gürültü son derece önemlidir. İlk hidrojenle çalışan demiryolu yolcu treni olan Coradia iLint, 2018'de Almanya'da hizmete girdi. 2021 yılına kadar bu tür 14 trenin daha hizmete girmesi planlanıyor.

Önümüzdeki 40 yıl boyunca, otomobiller için birincil enerji kaynağı olarak hidrojene geçiş, dünyanın enerji ve ekonomisinde devrim yaratabilir. Her ne kadar petrol ve gazın en az 10 yıl daha ana yakıt pazarı olarak kalacağı artık açık olsa da.Bununla birlikte, birçok teknik ve ekonomik engelin aşılması gerekmesine rağmen, bazı ülkeler şimdiden hidrojen yakıt hücreli araçların yaratılmasına yatırım yapıyor.

Hidrojen altyapısı oluşturmak, güvenli benzin istasyonları oluşturmak asıl görevdir, çünkü hidrojen patlayıcı bir gazdır. Her iki durumda da hidrojen ile araç yakıtı ve bakım maliyetleri önemli ölçüde azaltılabilir ve güvenilirlik artırılabilir.

Bloomberg tahminlerine göre, 2040 yılına kadar otomobiller, elektrik talebinin %8'i olan günlük 13 milyon varil yerine 1.900 teravat saat tüketecek ve bugün dünyada üretilen petrolün %70'i ulaşım yakıtı üretimine gidiyor. . Elbette bu noktada, bataryalı elektrikli araç pazarının geleceği, hidrojen yakıt hücrelerine göre çok daha belirgin ve etkileyici.

2017 yılında elektrikli araç pazarı 17,4 milyar dolar iken, hidrojenli otomobil pazarı sadece 2 milyar dolar değerindeydi. Bu farklılığa rağmen yatırımcılar hidrojen enerjisine ilgi duymaya ve yeni gelişmeleri finanse etmeye devam ediyor.

Böylece 2017 yılında Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai gibi 39 büyük otomobil üreticisinin yer aldığı Hidrojen Konseyi oluşturuldu. Amacı, yeni hidrojen teknolojilerini ve bunların müteakip yaygın dağıtımını araştırmak ve geliştirmektir.