O celulă de combustie produce electricitate folosind energia eliberată prin amestecarea combustibilului cu aerul, o reacție care creează apă și, uneori, dioxid de carbon. Cel mai frecvent combustibil pentru pilele de combustie este hidrogenul, care, atunci când reacționează cu oxigenul din aer, produce doar apă. Pilele de combustie funcționează ca o baterie care este alimentată constant cu combustibil, astfel încât nu se epuizează niciodată (atât timp cât aveți suficient combustibil). Pilele de combustie reprezintă o parte importantă a economiei bazate pe hidrogen. Moleculele de hidrogen se găsesc în substanțe precum metanul, apa și biomasa, dar în toate cazurile este necesară o anumită cantitate de energie pentru a le extrage. Există două moduri obișnuite de a produce hidrogen - acesta poate fi separat din majoritatea combustibililor, cum ar fi petrolul, gazul, cărbunele, printr-un proces numit reformare cu abur, sau poate fi extras din apă prin intermediul unui proces numit electroliză. În cazul în care hidrogenul este separat de combustibilii fosili, se eliberează dioxid de carbon. Dacă energia folosită pentru a-l extrage din apă prin electroliză provine de la energia solară sau eoliană, atunci hidrogenul produs este benign, deoarece nu se eliberează emisii. De asemenea, hidrogenul poate fi separat din biogazul regenerabil, ceea ce înseamnă că carbonul emis nu este de origine fosilă și, prin urmare, face parte din ciclul natural al carbonului.
Pilă de combustie
Cum se convertește energia
Apa este o moleculă formată dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen. Este nevoie de energie pentru a separa apa în oxigen și hidrogen, iar energia este eliberată atunci când acestea sunt puse laolaltă sub formă de apă. O celulă de combustie pune laolaltă hidrogenul și oxigenul într-un mod care eliberează energia sub formă de electricitate.
Combustibilul (sursa de energie, de obicei hidrogenul) și aerul (care conține oxigenul) sunt plasate în părțile opuse ale pilei de combustie. În mijlocul pilei de combustie există un "ecran", numit electrolit, intercalat între două plăci metalice, numite electrozi, care păstrează combustibilul și aerul separate. Diferitele tipuri de pile de combustie își primesc numele în funcție de tipul de ecran utilizat pentru a separa combustibilul și aerul. Ecranul permite doar moleculelor încărcate specifice, cunoscute și sub numele de ioni, să treacă prin el.
Pentru a crea ioni, electronii trebuie să fie transportați dintr-o parte a sistemului în cealaltă. Electronii sunt separați de combustibil de către placa metalică de pe partea de combustibil și trebuie să ajungă pe partea de aer pentru a finaliza reacția. Deoarece ecranul nu lasă electronii să treacă prin el, aceștia trec printr-un fir separat, către cealaltă placă metalică de pe partea de aer. Călătoria electronilor creează curent electric (electricitate). Firul este locul unde poate fi folosită electricitatea. De exemplu, firul poate fi tăiat în două, iar între cele două jumătăți poate fi conectat un bec.
Între timp, ionii trec prin ecran și reacționează cu moleculele (aflate deja de cealaltă parte) și cu electronii (care au călătorit prin fir, eliberând energie pentru a alimenta aparatele electronice) de cealaltă parte. Se formează apă (și, în funcție de tipul de combustibil, ocazional și alte produse), care le iese prin țeava de eșapament.
Eficiență
Pilele de combustie produc energie electrică prin combinarea oxigenului și a hidrogenului. Eficiența este foarte bună (aproximativ 40%-70%). Ele au o eficiență maximă de 83% dacă în timpul reacției se utilizează căldura de evacuare. De asemenea, pilele de combustie pot utiliza diverși combustibili, de exemplu, gaz natural, metanol, GPL (gaz petrolier lichid), nafta, kerosen etc.
Caracteristici
Unele tipuri de pile de combustie produc doar apă, ceea ce înseamnă că nu poluează. Majoritatea tipurilor de pile de combustie produc mult mai puține emisii decât generarea clasică ("calorică") de energie. Ele pot consuma aceleași tipuri de combustibil ca și generatoarele clasice de energie, de exemplu motoarele Diesel, dar sunt de aproximativ două ori mai eficiente, ceea ce înseamnă că pot produce aceeași cantitate de energie cu jumătate din cantitatea de combustibil și, prin urmare, cel puțin jumătate din poluare. În plus, pilele de combustie cu conversie directă utilizate prezintă un risc mai mic de producere a unor emisii secundare, cum ar fi NOx, SOx și particule, care sunt efecte secundare ale combustiei, contribuie la încălzirea globală și sunt cunoscute sub numele de poluanți principali.
Pilele de combustie sunt foarte silențioase. Nu au părți mobile, cu excepția unor ventilatoare pentru a muta aerul și a unor pompe pentru a muta apa, ceea ce înseamnă că foarte rar necesită reparații, însă unele pile de combustie mari, utilizate pentru alimentarea cu energie a unor lucruri precum clădirile, pot fi destul de fragile.
Datorită emisiilor foarte scăzute de poluanți, pilele de combustie sunt adesea utilizate în vehicule care se deplasează în interiorul clădirilor, cum ar fi stivuitoarele. Deoarece sunt foarte silențioase, sunt utilizate pe unele submarine militare pentru a evita detectarea. Combustibilul este utilizat mai eficient, ceea ce înseamnă că pilele de combustie pot funcționa mai mult timp fără a fi nevoie de combustibil nou. Acest lucru le permite să fie utilizate în locuri greu accesibile, cum ar fi stațiile meteorologice sau de cercetare, navele spațiale sau bazele militare.
Deoarece navele spațiale sunt lansate cu ajutorul unor rachete care conțin hidrogen și oxigen pur, energia electrică de la bord este produsă cu ajutorul unor pile de combustie foarte eficiente care pot utiliza acești combustibili. În plus, pilele de combustie de pe navele spațiale produc apă pură la eșapament, care poate fi captată ulterior și utilizată ca apă potabilă pentru astronauți, ceea ce înseamnă că nu se irosește absolut nimic.
Tipuri de celule de combustibil
Pilele de combustie pot fi clasificate în funcție de tipul de ecran interior (electrolit). De exemplu, pilele de combustie cu acid fosforic sunt destinate temperaturilor scăzute. Acesta este utilizat în telefoanele mobile și în sursele de alimentare ale automobilelor care necesită curenți mari, deoarece este mult mai sigur. Pilele de combustie alcaline conțin, de obicei, hidroxid de potasiu (KOH). Pilele de combustie cu metanol sunt utilizate prin reacția electrochimică a metanolului. Acest tip de pile de combustie este o alegere mai bună pentru un sistem mai simplu. Dar pilele de combustie cu metanol au densități de ieșire scăzute, deoarece viteza de reacție este lentă.
Unele tipuri importante de pile de combustie sunt:
- Pila de combustie cu acid fosforic (PAFC) - Pilele de combustie cu acid fosforic sunt disponibile în prezent în comerț. Acestea sunt cele mai comune pile de combustie pentru producerea combinată de căldură și energie electrică.
- Pile de combustie cu membrană de schimb de protoni (PEM) - Aceste pile de combustie funcționează la temperaturi relativ scăzute (aproximativ 175 °F), au o densitate de putere ridicată, își pot varia rapid puterea pentru a răspunde la schimbările în cererea de energie și sunt potrivite pentru aplicații, cum ar fi cele din automobile, în care este necesară o pornire rapidă. Toate vehiculele comerciale cu pile de combustie utilizează acest tip de pile de combustie. Dezavantajul acestor pile de combustie este că necesită hidrogen de înaltă puritate, a cărui producție este costisitoare.
- Pile de combustie cu carbonat topit (MCFC) - Aceste pile de combustie funcționează la temperaturi foarte ridicate, ceea ce le permite să transforme combustibili mai complecși, cum ar fi gazele naturale, în hidrogen pentru a fi utilizat de către celula în sine. Acestea au nevoie de mai multe ore pentru a porni și a se opri, astfel încât sunt utilizate numai în aplicații în care pot funcționa în mod continuu, cum ar fi energia staționară pentru clădirile/întreprinderile mari.
- Pila de combustie microbiană (MFC) - O celulă de combustie care utilizează microbi care respiră pentru a transforma substraturile organice în energie electrică, folosind reacții de oxidare-reducere.
Aplicații
Există multe utilizări pentru pilele de combustie - marii producători de automobile lucrează la comercializarea mașinilor cu pile de combustie. Toyota și Honda au lansat Mirai și, respectiv, Clarity. Pilele de combustie alimentează autobuze, bărci, trenuri, avioane, scutere, stivuitoare și biciclete. Există aparate de vending alimentate cu pile de combustie, aspiratoare și indicatoare rutiere pe autostrăzi. Se preconizează existența unor pile de combustie miniaturale pentru telefoane celulare, calculatoare portabile și electronice portabile. Spitalele, centrele de carduri de credit, secțiile de poliție și băncile folosesc pile de combustie pentru a furniza energie electrică instalațiilor lor. Stațiile de tratare a apelor uzate și depozitele de deșeuri le folosesc pentru a transforma gazul metan pe care îl produc în energie electrică. Pilele de combustie sunt utilizate de mult timp în spațiul cosmic. Companiile de telecomunicații folosesc pile de combustie la turnurile de telefonie mobilă, radio și 911.
Întrebări și răspunsuri
Î: Cum generează o celulă de combustibil energie electrică?
R: O celulă de combustibil generează electricitate prin amestecarea combustibilului cu aer și crearea unei reacții care eliberează energie, creând apă și, uneori, dioxid de carbon.
Î: Care este cel mai frecvent combustibil utilizat în pilele de combustie?
R: Cel mai frecvent combustibil utilizat în pilele de combustie este hidrogenul.
Î: Prin ce se deosebește o celulă de combustibil de o baterie?
R: O pilă de combustie diferă de o baterie prin faptul că este alimentată constant cu combustibil, astfel încât nu se epuizează niciodată, atât timp cât există suficient combustibil disponibil.
Î: Ce este economia de hidrogen?
R: Economia hidrogenului se referă la utilizarea hidrogenului ca sursă de combustibil pentru a reduce dependența de combustibilii fosili.
Î: Cum se produce hidrogenul?
R: Hidrogenul poate fi produs cu ajutorul unui proces numit reformare cu abur sau poate fi extras din apă cu ajutorul unui proces numit electroliză.
Î: Ce se întâmplă atunci când hidrogenul este separat de combustibilii fosili?
R: Când hidrogenul este separat de combustibilii fosili, se eliberează dioxid de carbon.
Î: Poate fi produs hidrogenul într-un mod care să nu emită emisii nocive?
R: Da, dacă energia utilizată pentru producerea hidrogenului provine din surse regenerabile, cum ar fi energia solară sau eoliană, hidrogenul produs este benign, deoarece nu se eliberează emisii. De asemenea, hidrogenul poate fi separat din biogazul regenerabil, ceea ce înseamnă că carbonul emis nu este de origine fosilă și, prin urmare, face parte din ciclul natural al carbonului.