Nowe źródła energii w ogrzewnictwie. Brakujące ogniwo

Ogniwo paliwowe sięga zamierzchłych czasów,          artykuł w wersji pdf pdfpdf
jest wynalazkiem starszym od silnika benzynowego o 40 lat. Zasadę działania ogniwa paliwowego odkrył szwajcarski chemik Christian Friedrich Schoenberg. Opublikował ją w roku 1839 w „Philosophical Magazine”. W praktyce wykorzystał to odkrycie William Grove, który zbudował pierwsze ogniwo paliwowe. Wynalazek ten nie spotkał się z początku z dużym i szerokim zainteresowaniem, podobnie jak wiele innych ważnych odkryć naukowych w historii nauki.

Koszty, koszty koszty… Dopiero w okresie podboju kosmosu, w latach 60. poprzedniego wieku, zwrócono uwagę i na ten wynalazek. Ogniwa od razu poszybowały w przestworza, dosłownie i w przenośni. W ogniwa paliwowe wyposażono bowiem statek kosmiczny Gemini 5 i statki serii Apollo oraz orbitalne laboratorium kosmiczne Skylab. Dostarczały energię elektryczną do urządzeń pokładowych i… wodę pitną dla załogi. Należały do urządzeń najbardziej kosztownych. Obliczono, że 1 kWh energii elektrycznej z ogniwa paliwowego kosztowała 100 tys. dolarów.

Kwestia kosztów związanych z rozwojem i produkcją ogniw paliwowych istnieje do tej pory. Stąd jeszcze poczekamy na ich rozpowszechnienie, zwłaszcza w wersji przeznaczonej do ogrzewania budynków i przygotowania wody użytkowej. W innych dziedzinach zastosowania ogniwa paliwowe zostały rozwinięte do stopnia opłacalności produkcji.

Jak to działa? Ogniwo paliwowe (wg http://pl.wikipedia.org) to ogniwo generujące energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego paliwa. Większość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje wodór na anodzie oraz tlen na katodzie. Na rys. 1 pokazano schemat wodorowego ogniwa paliwowego. Paliwem dla tego typu ogniwa jest czysty wodór. Drugim koniecznym składnikiem do działania ogniwa jest tlen. Proces odbywa się wg równania chemicznego:

2 H2 + O2 = 2 H2O.

Nie trudno zauważyć, że jest to reakcja spalania wodoru. W jej wyniku tworzy się woda. Podczas tej reakcji wydziela się ciepło i… powstaje między elektrodami prąd elektryczny. To odkrycie, jak można przypuszczać, zrodziło się na podstawie prostego doświadczenia, polegającego na podłączeniu źródła prądu stałego do dwóch prętów (elektrod) zanurzonych w wodzie. Na jednej z elektrod wydziela się wówczas wodór, a na drugiej tlen. Jest to tzw. reakcja elektrolizy wody. Skoro więc prąd jest „pochłaniany” przy rozpadzie wody na tlen i wodór, to powinien się wydzielać przy tworzeniu się wody, czyli łączeniu się tlenu i wodoru. I tak w istocie się dzieje. Zasada działania jest prosta i na niej ta prostota się kończy. Dalej występują liczne trudności związane głównie z wykorzystaniem paliw w celu pozyskania z nich wodoru, z doborem odpowiednich materiałów do budowy ogniw paliwowych oraz trudności technologiczne związane z kosztami i opłacalnością produkcji. Istnieje kilka typów ogniw paliwowych, które różnią się między sobą konstrukcją, zastosowanymi materiałami elektrod, rodzajem elektrolitu (ciekły, stały) i katalizatorów wspomagających procesy chemiczne ogniw.

Pozyskiwanie wodoru ze związków węglowodorowych wymaga dodatkowego podzespołu ogniw paliwowych, w którym następuje tzw. reakcja reformingu gazów naturalnych, polegająca na oddzieleniu wodoru. Wyróżnia się dwie metody reformingu: bezpośrednią, w module wewnątrz ogniwa paliwowego, i pośrednią, gdzie proces reformingu odbywa się poza ogniwem paliwowym.

Reakcja reformingu jest procesem złożonym i można ją przeprowadzać na wiele sposobów. Na rys. 2 pokazano ogniwa paliwowe z podzespołem reformingu i przetwornika prądu stałego (DC) na prąd przemienny (AC). Zasadę działania reakcji reformingu związku węglowodorowego, metanu (CH4), pokazano na rys. 3. Pierwszy etap reakcji reformingu polega na oddziaływaniu gorącą parą wodną o temperaturze rzędu 700-1000°C na metan, w wyniku czego powstaje tlenek węgla (CO) i wodór (H2). W kolejnym etapie tlenek węgla poddawany jest reakcji z wodą w temperaturze rzędu 400°C w obecności katalizatora, co powoduje dodatkowy uzysk wodoru.

Zalety ogniw paliwowych Obecnie w wielu krajach na świecie trwają intensywne prace rozwojowe nad ogniwami paliwowymi. Koncentrują się one na doborze materiałów do budowy poszczególnych podzespołów ogniwa, takich jak: elektrody, membrany, uszczelnienia oraz katalizatory. Zasadniczym celem jest podniesienie sprawności ogniwa, wydłużenie jego żywotności i obniżeniu kosztów produkcji.

Ogniwa paliwowe charakteryzują się wieloma szczególnymi zaletami:

* przetwarzają energię chemiczną paliw węglowodorowych bezpośrednio na energię elektryczną i wykazują w tym procesie wyższą sprawność (rząd 60-70%) od elektrowni klasycznych (rząd 30-40%),

* w porównaniu do kotłów gazowych i elektrowni są ekologicznymi źródłami ciepła i prądu, emitują produkty uboczne w postaci wody i niewielkie ilości dwutlenku węgla oraz innych związków chemicznych,

* są łatwe w zastosowaniu i rozbudowie, mogą pracować w sposób ciągły,

* nie emitują uciążliwego hałasu i drgań,

* pracują w trybie automatycznym, w szerokim zakresie mocy; moc dopasowuje się odpowiednio do obciążenia,

* możliwe są bardzo duże przeciążenia chwilowe oraz praca przy niskich obciążeniach.

Nie są one bez wad, do których zalicza się:

* niskie napięcie prądu pojedynczej celi, poniżej 1 V,

* fakt, że wytwarzają prąd stały, który najczęściej przetwarzany jest na przemienny,

* wysokie koszty.

Największy postęp obserwuje się w tzw. przenośnych ogniwach paliwowych, które charakteryzują się niewielkimi mocami rzędu kilku do kilkudziesięciu watów, stosowanymi do zasilania elektronicznych urządzeń o niewielkich poborach prądu (jak telefony komórkowe, odtwarzacze MP3, aparaty fotograficzne itp.).

W technice grzewczej mogą mieć zastosowanie ogniwa paliwowe o mocy rzędu co najmniej kilku kilowatów. Najbardziej zaawansowany postęp w zakresie ogniw paliwowych większych mocy obserwuje się obecnie w Japonii. Znajdują one zastosowanie w technice motoryzacyjnej do napędu samochodów osobowych i w technice grzewczej.

Ocenia się, że w samej Japonii liczba zastosowanych w ostatnich latach ogniw paliwowych, działających jako elektrociepłownie w budynkach mieszkalnych, sięga kilku tysięcy sztuk. Powodzenie tego źródła energii grzewczej na Dalekim Wschodzie może przyśpieszyć pojawienie się praktycznego zastosowania tych urządzeń również na rynku europejskim. Według optymistycznych prognoz pierwsze „jaskółki”, pochodzące z rynku japońskiego, mają się pojawić na w Europie już w roku 2015 i nie później niż w roku 2020. Jak wynika z doświadczenia, każda techniczna nowość na rynku, zwłaszcza tej rangi co ogniwo paliwowe, nie będzie dostępna dla „przeciętnej kieszeni”. Pozostaje więc uzbroić się jeszcze w kilkunastoletnią cierpliwość.

dr inż. Jan Siedlaczek

Rys. 1. Schemat budowy ogniwa paliwowego. Źródło: „Elektronika dla Wszystkich”, Maj 2002.

Rys. 2. Schemat ogniwa paliwowego z podzespołem reformingu i przetwornika prądu stałego (DC) na prąd przemienny (AC). Źródło: www.automatykab2b.pl.

Rys. 3. Schemat reakcji reformingu metanu. Źródło: www.automatykab2b.pl.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij