Kütuseelement: vesinikust elektri tootmise põhimõte

Kütuseelement toodab elektrit, kasutades energiat, mis vabaneb kütuse ja õhu segamisel; peamine lõpptulemus on vesi ja mõnikord ka süsinikdioksiid, kui kütus sisaldab süsinikku. Kõige tavalisem kütus kütuseelementides on vesinik, mis reageerides õhuhapnikuga tekitab ainult vett. Kütuseelemendid töötavad sarnaselt aku, kuid erinevalt akust toodavad nad pidevalt elektrit seni, kuni neid toidetakse kütusega. Just seepärast on kütuseelemendid oluline osa vesinikumajandusest.

Kütuseelemendi põhiline idee on elektrokeemiline reaktsioon: anoodil oksüdeeritakse kütus (näiteks vesinik) ja katoodil redukteeritakse hapnik, mille tulemusel vabaneb elekter, eraldub soojus ja moodustub vesi (või CO2, kui kasutatakse süsinikuga kütuseid). Tüüpiliselt koosneb kütuseelement anoodist, katoodist ja elektroliidist; mitme elemendi virnastamisel saab suurema pingeväljundi ja võimsuse.

Vesiniku tootmine on kütuseelementide kasutuse võtmekoht. Vesiniku molekule leidub sellistes ainetes nagu metaan, vesi ja biomass, kuid kõigil juhtudel on selle eraldamiseks vaja energiat. Vesiniku tootmiseks on kaks tavalist viisi:

See saadakse enamikust fossiilkütustest protsessis, mida nimetatakse aurureforminguks (steam methane reforming) — see on efektiivne, kuid sellega kaasneb süsinikdioksiidi eraldumine.
Või saab vesiniku eraldada veest, kasutades protsessi, mida nimetatakse elektrolüüsiks. Kui elektrolüüsi teel veest eraldamiseks kasutatav energia pärineb päikese- või tuuleenergiast, on toodetud vesinik süsinikuneutraalne ehk „roheline“ — heitmeid ei eraldu.

Vesinikku saab eraldada ka taastuvast biogaasist, mis tähendab, et eralduv süsinik ei ole fossiilset päritolu ja on seega osa looduslikust süsinikuringest. Samuti on võimalik kasutada tehnikaid süsiniku püüdmiseks ja salvestamiseks (CCS), et vähendada süsiniku jalajälge, kui vesinik toodetakse fossiilsetest allikatest.

Tüübid ja rakendused. On mitmeid kütuseelemendi tehnoloogiaid, näiteks madala temperatuuriga polümeerne prootonvahetusmembraaniga kütuseelement (PEMFC), kõrge temperatuuriga tahkeoksiidkütuseelement (SOFC), aluselised, fosforhappe- ja sulamkustunud karbonaatkütuseelemendid. Erinevad tüübid sobivad erinevateks rakendusteks: PEMFC on levinud transpordis (autod, bussid), SOFC sobib hästi järelmajutuseks ja paigaldatavateks generaatoriteks, kõrgema efektiivsuse ja suurema töötemperatuuri tõttu.

Eelised ja piirangud.

Plussid: kõrge energiamuundamise efektiivsus (elektri- ja soojusenergia kombineerimisel võib tõhusus tõusta oluliselt), madalad kohalikud heitmed (eriti kui kasutatakse rohelist vesinikku), kiire tankimine (sõidukites) ja modulaarne paigutus.
Miinused: kulukad materjalid (näiteks plaatina katalüsaatorid), piiratud tarnevõrgud ja tankimisinfrastruktuur, vesiniku säästlik ja ohutu ladustamine/transport, ning kütuseelementide töökindlus ja eluiga tootmiskulude vähendamiseks.

Turvalisus ja ladustamine. Vesinik on kerge ja väga kergesti aurustuv gaas, mis on süttiv; seetõttu nõuab ladustamine kõrget rõhku (komprimeeritud gaas), vedeldamine madalatel temperatuuridel või keemilised kandjad (näiteks ammoonium või vedeludena organiseeritud kütused). Praktikas kasutatakse ka metallhüdriide ja aineid, mis siduvad vesiniku keemiliselt, et parandada ohutust ja tiheduse juhtimist. Õnnetuste vältimiseks on hädavajalikud lekkekindlad süsteemid, ventilatsioon ja andurid.

Kasutusvaldkonnad. Kütuseelemendid leiavad rakendust:

sõidukites (autod, kaubikud, bussid, rongid),
statsionaarsetes elektrijaamades ja majapidamise kombineeritud soojuse ja elektri tootmises (CHP),
ajutistes ja hädaolukorra varutoiteallikates,
kaugjuhtimisseadmetes ja kaasaskantavates toiteregistrites ning
ruumilennunduses (kus vesinikuga töötavad kütused on juba kaua ajalugu).

Tulevik ja väljakutsed. Kütuseelementide laiem levik sõltub peamiselt vesiniku tootmise süsinikuvabastamisest, infrastruktuuri arendamisest, materjalikulude langusest (eriti katalüsaatorite osas) ja regulatsioonide/stiimulite olemasolust. Kui elektrolüüsi ja taastuvenergia kombinatsioon laieneb, võib kütuseelementidel olla oluline roll süsinikuneutraalse energiataristu loomisel.

Kokkuvõttes võimaldavad kütuseelemendid toota elektrit tõhusalt ja keskkonnahoidlikult, eriti koos puhastest allikatest toodetud vesinikuga, kuid nende laialdane kasutuselevõtt eeldab tehnoloogilisi, majanduslikke ja infrastruktuurseid edusamme.

Otsene metanoolkütuseelement. Tegelik kütuseelemendi korstnat on pildi keskel olev kihiline kahekuubiline struktuur.

Kuidas konverteerida energiat

Vesi on molekul, mis koosneb ühest hapniku aatomist ja kahest vesiniku aatomist. Vee eraldamiseks hapnikuks ja vesinikuks kulub energiat ning energia vabaneb, kui need aatomid taas veena kokku pannakse. Kütuseelement paneb vesiniku ja hapniku uuesti kokku nii, et energia vabaneb elektri kujul.

Kütus (energiaallikas, tavaliselt vesinik) ja õhk (mis sisaldab hapnikku) pannakse kütuseelemendi vastaskülgedele. Kütuseelemendi keskel on kahe metallplaadi (elektroodide) vahele asetatud "ekraan", mida nimetatakse elektrolüüdiks, mis hoiab kütuse ja õhu eraldi. Erinevad kütuseelemendid saavad oma nimetuse selle järgi, millist ekraani kasutatakse kütuse ja õhu eraldamiseks. Ekraan laseb läbida ainult spetsiifiliselt laetud molekule, mida nimetatakse ka ioonideks.

Ioonide loomiseks tuleb elektronid viia süsteemi ühelt poolelt teisele. Elektronid eralduvad kütuse poolel asuva metallplaadi abil kütusest ja peavad reaktsiooni lõpuleviimiseks liikuma õhu poolele. Kuna ekraan ei lase elektrone läbi, lähevad need läbi eraldi juhtme teise metallplaadi õhu poolele. Elektronide liikumine tekitab elektrivoolu (elektrit). Traat on koht, kus elektrit saab kasutada. Näiteks saab juhtme pooleks lõigata ja kahe poole vahele ühendada lambipirn.

Vahepeal läbivad ioonid ekraani ja reageerivad molekulidega (mis on juba teisel pool) ja elektronidega (mis läbisid traadi, andes energiat elektroonika tarbeks) teisel pool. Tekib vesi (ja sõltuvalt kütusetüübist mõnikord ka muud tooted), mis väljub väljalasketoru kaudu.

Efektiivsus

Kütuseelemendid toodavad elektrit hapniku ja vesiniku ühendamise teel. Kasutegur on väga hea (umbes 40%-70%). Nende maksimaalne kasutegur on 83%, kui reaktsiooni käigus kasutatakse heitgaasisoojust. Samuti võivad kütuseelemendid kasutada erinevaid kütuseid, näiteks maagaasi, metanooli, vedelat naftagaasi (LPG), tööstusbensiini, petrooli jne.

Omadused

Mõned kütuseelementide tüübid toodavad ainult vett, mis tähendab, et nad ei reosta. Enamik kütuseelementide tüüpe põhjustab palju vähem heitkoguseid kui klassikaline ("kaloriline") elektritootmine. Nad võivad tarbida samu kütuseliike kui klassikalised elektritootjad, näiteks diiselmootorid, kuid nende tõhusus on umbes kaks korda suurem, mis tähendab, et nad suudavad toota sama palju energiat poole väiksema kütusekoguse ja seega vähemalt poole väiksema saastekogusega. Lisaks sellele on kütuseelementide otsekonversiooni kasutamisel väiksem oht, et tekivad sellised sekundaarsed heitkogused nagu NOx, SOx ja tahked osakesed, mis on põletamise kõrvalmõjud, aitavad kaasa globaalsele soojenemisele ja on tuntud kui kriitilised saasteained.

Kütuseelemendid on väga vaiksed. Neil ei ole liikuvaid osi, välja arvatud mõned ventilaatorid, mis liigutavad õhku, ja pumbad, mis liigutavad vett, mis tähendab, et nad vajavad väga harva remonti, kuid mõned suured kütuseelemendid, mida kasutatakse näiteks hoonete toitmiseks, võivad olla üsna haprad.

Kuna kütuseelemendid eraldavad väga vähe saasteaineid, kasutatakse neid sageli sõidukites, mis liiguvad hoonete sees, näiteks kahveltõstukites. Kuna need on väga vaiksed, kasutatakse neid avastamisohu vältimiseks mõnel sõjalisel allveelaeval. Kütust kasutatakse tõhusamalt, mis tähendab, et kütuseelemendid võivad töötada kauem ilma uut kütust hankimata. See võimaldab neid kasutada raskesti ligipääsetavates kohtades, näiteks ilma- või teadusjaamades, kosmosealustes või sõjaväebaasides.

Kuna kosmoselaevade käivitamisel kasutatakse rakette, mis sisaldavad puhast vesinikku ja hapnikku, toodetakse pardal olev elekter väga tõhusate kütuseelementide abil, mis suudavad kasutada neid kütuseid. Lisaks sellele toodavad kosmoselaevade kütuseelemendid oma heitgaasis puhast vett, mida saab koguda ja kasutada astronautide joogiveena, mis tähendab, et midagi ei lähe absoluutselt raisku.

Kütuseelementide tüübid

Kütuseelemente võib liigitada sisemise ekraani (elektrolüüt) tüübi järgi. Näiteks fosforhappe kütuseelemendid on mõeldud madalate temperatuuride jaoks. Seda kasutatakse mobiiltelefonides ja autode toiteallikates, mis nõuavad suuri voolutugevusi, sest see on palju ohutum. Leeliselised kütuseelemendid sisaldavad tavaliselt kaaliumhüdroksiidi (KOH). Metanoolkütuseelemente kasutatakse metanooliga elektrokeemiliselt reageerides. Seda tüüpi kütuseelement on parem valik lihtsamate süsteemide jaoks. Kuid metanoolkütuseelementide väljundtihedus on väike, kuna selle reaktsioonikiirus on aeglane.

Mõned olulised kütuseelementide tüübid on järgmised:

Fosforhappe kütuseelement (PAFC) - Fosforhappe kütuseelemendid on tänapäeval kaubanduslikult kättesaadavad. Need on kõige levinumad kütuseelemendid soojuse ja elektri koostootmiseks.
Prootonvahetusmembraan-kütuseelement (PEM) - Need kütuseelemendid töötavad suhteliselt madalatel temperatuuridel (umbes 175 °F), neil on suur võimsustihedus, nad suudavad oma võimsust kiiresti muuta, et vastata energiavajaduse muutustele, ja sobivad rakendusteks, näiteks autodes, kus on vaja kiiret käivitamist. Kõik kaubanduslikud kütuseelemendiga sõidukid kasutavad seda tüüpi kütuseelementi. Nende kütuseelementide puuduseks on see, et nad vajavad kõrge puhtusastmega vesinikku, mille tootmine on kulukas.
Sulakarbonaatkütuseelement (MCFC) - Need kütuseelemendid töötavad väga kõrgel temperatuuril, mis võimaldab neil muuta keerukamaid kütuseid, näiteks maagaasi, vesinikukütuseks, mida rakk ise saab kasutada. Nende käivitamine ja väljalülitamine võtab mitu tundi aega, mistõttu neid kasutatakse ainult sellistes rakendustes, kus nad saavad pidevalt töötada, näiteks suurte hoonete/ettevõtete statsionaarne energiavarustus.
Mikroobikütuseelement (MFC) - kütuseelement, mis kasutab hingavaid mikroobe orgaaniliste substraatide muundamiseks elektrienergiaks, kasutades oksüdatsioonireduktsioonireaktsioone.

Rakendused

Kütuseelementidel on palju kasutusvõimalusi - suured autotootjad töötavad kütuseelementidega autode turustamiseks. Toyota ja Honda on välja andnud vastavalt Mirai ja Clarity. Kütuseelemendid annavad energiat bussidele, laevadele, rongidele, lennukitele, motorolleritele, kahveltõstukitele ja jalgratastele. On olemas kütuseelemendiga töötavad müügiautomaadid, tolmuimejad ja maanteemärgid. Prognoositakse mobiiltelefonide, sülearvutite ja kaasaskantava elektroonika miniatuurseid kütuseelemente. Haiglad, krediitkaardikeskused, politseijaoskonnad ja pangad kasutavad kütuseelemente oma rajatiste varustamiseks energiaga. Reoveepuhastusjaamad ja prügilad kasutavad neid toodetud metaanigaasi muundamiseks elektrienergiaks. Kütuseelemente on juba ammu kasutatud kosmoses. Telekommunikatsiooniettevõtted kasutavad kütuseelemente mobiiltelefoni-, raadio- ja hädaabitornides.

Küsimused ja vastused

K: Kuidas toodab kütuseelement elektrit?

V: Kütuseelement toodab elektrit, segades kütust õhuga ja tekitades reaktsiooni, mis vabastab energiat, tekitades vett ja mõnikord süsihappegaasi.

K: Mis on kõige levinum kütus, mida kasutatakse kütuseelementides?

V: Kõige tavalisem kütuseelementides kasutatav kütus on vesinik.

K: Mille poolest erineb kütuseelement patareist?

V: Kütuseelement erineb akust selle poolest, et seda toidetakse pidevalt kütusega, nii et see ei saa kunagi otsa, kui kütust on piisavalt palju.

K: Mis on vesiniku ökonoomsus?

V: Vesinikumajandus tähendab vesiniku kasutamist kütuseallikana, et vähendada sõltuvust fossiilkütustest.

K: Kuidas vesinikku toodetakse?

V: Vesinikku saab toota aurureforminguks nimetatava protsessi abil või eraldada veest elektrolüüsiks nimetatava protsessi abil.

K: Mis juhtub, kui vesinik eraldatakse fossiilsetest kütustest?

V: Kui vesinik eraldatakse fossiilsetest kütustest, vabaneb süsinikdioksiid.

K: Kas vesinikku saab toota nii, et see ei tekita kahjulikke heitmeid?

V: Jah, kui vesiniku tootmiseks kasutatav energia pärineb taastuvatest allikatest, näiteks päikese- või tuulest, on toodetud vesinik kahjutu, sest heitmeid ei eraldu. Vesinikku saab eraldada ka taastuvast biogaasist, mis tähendab, et eralduv süsinik ei ole fossiilset päritolu ja on seega osa looduslikust süsinikuringest.