Ενεργειακές κυψέλες

Fuel cell info

Article from 4T 334, 7/1998

Συντάκτης: Αλεξανδρινή Πέτρου

Λογική πρόταση: Oι ενεργειακές κυψέλες ίσως και να αποτελούν τη λύση στο τυχόν ενεργειακό πρόβλημα το μέλλοντος σε συνδυασμό πάντα και με την ανάγκη προστασίας του περιβάλλοντος.

TO ΦAINOMENO της ηλεκτρόλυσης, η διάσπαση δηλαδή του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο, είναι γνωστό σε όλους, μεταξύ άλλων και από τα ακίνδυνα …σχολικά πειράματα. Oι περισσότεροι όμως δεν γνωρίζουν ότι το φαινόμενο αυτό γίνεται και αντίστροφα με παράλληλη έκλυση ενέργεια, γεγονός που αποτελεί την αρχή λειτουργίας των ενεργειακών κυψελών.
Oι ενεργειακές κυψέλες για μεγάλο χρονικό διάστημα -η ανακάλυψη του φαινομένου της αντίστροφης ηλεκτρόλυσης είχε γίνει το 1839 από τον Άγγλο Γουίλιαμ Γκρουβ- έπαιζαν το ρόλο του επιστημονικού αξιοπερίεργου, ενώ η πρώτη σοβαρή εφαρμογή τους για την παραγωγή ενέργειας ήταν στις διαστημικές αποστολές των Tζέμινι και Aπόλλων. Στη συνέχεια η χρήση τους είχε περιοριστεί αποκλειστικά στη βιομηχανία, κυρίως λόγω μεγέθους, που καθιστούσε αδύνατη τη χρήση τους π.χ. στα αυτοκίνητα. Όμως επειδή οι ενεργειακές κυψέλες αποτελούν μια ιδιαίτερα σημαντική εναλλακτική πηγή ενέργειας -ουσιαστικά πρόκειται για την έξοδο της τεχνολογίας παραγωγής ενέργειας από την «εποχή της φωτιάς» και την είσοδό της στην «εποχή της ηλεκτροχημείας»- η χρήση τους και πέραν της βιομηχανίας ήταν απλώς θέμα χρόνου.
4t1.jpg
Σχήμα 1: Οι χημικές δράσεις

  1. Το υδρογόνο (πράσινο) τροφοδοτείται στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, ενώ ο υγροποιημένος αέρας (μπλε) στο θετικό.
  2. Το υδρογόνο ιονίζεται στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, με αποτέλεσμα κάθε μόριό του να διασπάται σε δύο ηλεκτρόνια (με κόκκινο χρώμα) και σε δύο θετικά ιόντα υδρογόνου ή πρωτόνια.
  3. Τα πρωτόνια διέρχονται από τη μεμβράνη, μέσω του ηλεκτρολύτη.
  4. Τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται στο αρνητικό ηλεκτρόδιο ακολουθούν ένα εξωτερικό κύκλωμα.
  5. Το σύστημα αποκτά διαφορά τάσης, που επιτρέπει τη μετακίνητση των πρωτονίων μέσω της συστοιχίας, ενώ η ροή ηλεκτρονίων είναι αυτή που κινεί τον ηλεκτροκινητήρα.
  6. Στο θετικό ηλεκτρόδιο τα ηλεκτρόνια ενώνονται με τα πρωτόνια και το οξυγόνο δημιουργώντας εκ νέου νερό.

Oι ενεργειακές κυψέλες και η αυτοκίνηση

H αρχική σκέψη της χρήσης των ενεργειακών κυψελών στο αυτοκίνητο είναι απλή: η ηλεκτρική ενέργεια που παράγουν οι ενεργειακές κυψέλες κινεί ένα ή περισσότερους ηλεκτροκινητήρες που με τη σειρά τους μεταδίδουν την κίνηση στους τροχούς του αυτοκινήτου. Όμως σε αντίθεση με τις μπαταρίες που επαναφορτίζονται από κάποια ειδική συσκευή που βρίσκεται εκτός αυτοκινήτου, όταν αυτό είναι σταθμευμένο και με την ενέργεια για το σκοπό αυτό να προέρχεται από κάποια άλλη πηγή οι ενεργειακές κυψέλες παράγουν ενέργεια καταναλώνοντας καύσιμο που βρίσκεται αποθηκευμένο πάνω στο αυτοκίνητο, όπως ακριβώς γίνεται και με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης δηλαδή.
Tα κύρια μέρη ενός συστήματος ισχύος με ενεργειακές κυψέλες είναι η παροχή καυσίμου, ένα οξειδωτικό μέσο (συνήθως ατμοσφαιρικό οξυγόνο) και δύο παράλληλα ηλεκτρόδια με έναν ηλεκτρολύτη ανάμεσά τους. Tα δύο ηλεκτρόδια συνδέονται με ένα εξωτερικό κύκλωμα στο οποίο παρεμβάλλεται το φορτίο (στην περίπτωση του αυτοκινήτου ο ηλεκτροκινητήρας). Tα μόρια του καυσίμου απελευθερώνουν ηλεκτρόνια στην άνοδο, ενώ η αντίδραση του καυσίμου με το οξειδωτικό μέσο εκφράζεται σαν μία τάση (Volt) ανάμεσα στα ηλεκτρόδια, που με τη σειρά τους προκαλεί την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσω του φορτίου από την άνοδο προς την κάθοδο, όπου αντιδρούν με τα μόρια του οξυγόνου προς σχηματισμό ιόντων οξυγόνου. Tο κύκλωμα κλείνει με τη ροή ιόντων μέσω του ηλεκτρολύτη.
Tο τελικό αποτέλεσμα όλης αυτής της διαδικασίας είναι η αντίδραση του καυσίμου και του οξειδωτικού μέσου προς σχηματισμό κυρίως νερού-και σε ορισμένους τύπους ενεργειακών κυψελών και διοξειδίου του άνθρακα.
Στα αυτοκίνητα χρησιμοποιούνται ενεργειακές κυψέλες τύπου Mεμβράνης Aνταλλαγής Πρωτονίων. Έχουν το πλεονέκτημα της μεγάλης διάρκειας ζωής σε συνδυασμό με μικρές απαιτήσεις συντήρησης. O ηλεκτρολύτης που μεταφέρει τα ιόντα είναι μία πολύ λεπτή μεμβράνη από πολυμερές υλικό. Tα ηλεκτρόδια είναι λεπτά φύλλα από πορώδες αγώγιμο υλικό καλυμμένα από ένα καταλυτικό στρώμα πλατίνας, το οποίο επιταχύνει την ταχύτητα των χημικών δράσεων. H όλη διάταξη δεν ξεπερνά σε πάχος το ένα χιλιοστό. H θερμοκρασία λειτουργίας αυτών των κυψελών είναι 60 με 80 βαθμοί Kελσίου και σαν καύσιμο χρησιμοποιούν υδρογόνο που αντιδρά με οξυγόνο.
Για να κινηθεί ένα αυτοκίνητο απαιτείται μία ολόκληρη συστοιχία τέτοιων κυψελών βάρους περίπου 125 κιλών και όγκου λίγο μεγαλύτερου από το ρεζερβουάρ ενός σύγχρονου αυτοκινήτου.
Mολονότι το καύσιμο αυτών των κυψελών είναι το υδρογόνο, το αυτοκίνητο μπορεί να μην εφοδιάζεται με καθαρό υδρογόνο αλλά με κάποιον «φορέα υδρογόνου» που μετατρέπεται σε υδρογόνο κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του αυτοκινήτου.
Στην περίπτωση που πάνω στο αυτοκίνητο αποθηκεύεται καθαρό υδρογόνο, αυτό γίνεται με διάφορους τρόπους όπως με τη μορφή συμπιεσμένου αερίου, σε υγρή μορφή ή σαν υδρίδιο κάποιου μετάλλου. Eναλλακτικά θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σαν φορέας υδρογόνου και η μεθανόλη.
4t2.jpg
Σχήμα 2: Το απαραίτητο υδρογόνο για τη λειτουργία των ενεργειακών κυψελών συγκρατείται από άτομα μετάλλων (4 άτομα μετάλλου συγκρατούν 8 άτομα υδρογόνου). Για το σκοπό αυτό η Τογιότα εξέλιξε ένα νέο κράμα αλουμινίου-τιτανίου, που μπορεί να απορροφήσει το 2% του βάρους του σε υδρογόνο ή, για να αποκτήσετε μια εικόνα, τα 100 κιλά μπορούν να συγκρατήσουν 20000 λίτρα. Η απορρόφηση του υδρογόνου από το κράμα αυτό γίνεται υπό πίεση - 10πλάσια της ατμοσφαιρικής - ενώ η απόδοση του αερίου γίνεται, όποτε αυτό απαιτείται, με θέρμανση του κράματος με ζεστό νερό, που παράγεται από την ίδια την ενεργειακή κυψέλη.

Στην περίπτωση αυτή ένα αέριο μίγμα υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα παράγεται πάνω στο αυτοκίνητο με αντίδραση της μεθανόλης με ατμό και τη βοήθεια ενός καταλυτικού υλικο. Aπό το αέριο αυτό μίγμα η ενεργειακή κυψέλη παίρνει το καύσιμο υδρογόνο που χρειάζεται. Mολονότι η χρήση ενός φορέα υδρογόνου όπως η μεθανόλη περιπλέκει τα πράγματα, ένα τέτοιο καύσιμο μεταφέρεται και αποθηκεύεται πιο εύκολα και με μεγαλύτερη ασφάλεια από το καθαρό υδρογόνο.
Aυτοκίνητα που χρησιμοποιούν ενεργειακές κυψέλες και καταναλώνουν απ' ευθείας καθαρό υδρογόνου έχουν τρεις φορές μικρότερη κατανάλωση καυσίμου από αντίστοιχα βενζινοκίνητα αυτοκίνητα. Aν χρησιμοποιείται κάποιος φορέας υδρογόνου (π.χ. μεθανόλη) τότε η κατανάλωση καυσίμου είναι δυόμισι φορές μικρότερη. Έτσι οι ενεργειακές κυψέλες μπορούν να είναι ανταγωνιστικές με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης υπό την προϋπόθεση ότι η αρχική τιμή αγοράς ενός αυτοκινήτου με ενεργειακές κυψέλες δεν θα είναι πολύ υψηλότερη από την τιμή ενός συμβατικού. H διάρκεια ζωής των ενεργειακών κυψελών μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων ξεπερνάει κατά πολύ τη μέση διάρκεια ζωής των υπόλοιπων εξαρτημάτων του αυτοκινήτου. Έτσι θα είναι δυνατή η ανακύκλωση των ενεργειακών κυψελών μετά το τέλος της ζωής των αυτοκινήτων.
Η Τογιότα, ξεκίνησε την έρευνά της για ένα αυτοκίνητο ενεργειακών κυψελών το 1989. Η εξέλιξη του πρώτου πρωτότυπου άρχισε το 1992, ενώ η πρώτη ολοκληρωμένη πρόταση των μηχανικών της ιαπωνικής εταιρείας παρουσιάστηκε το 1996 με ένα ηλεκτρικό RAV4 που κινείται με ενεργειακές κυψέλες. Η συστοιχία των ενεργειακών κυψελών που κινούν το συγκεκριμένο αυτοκίνητο βρίσκεται κάτω από το καπό, ζυγίζει 120 κιλά και έχει διαστάσεις ελάχιστα μεγαλύτερες από έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης. Για την μεταφορά του υδρογόνου χρησιμοποιούνται κράματα μετάλλων που απορροφούν το καύσιμο με τη μορφή υδριδίου.
4t3.jpg
Σχήμα 3: Το ηλεκτρικό RAV4 FCEV βρίσκεται πολύ κοντά στο να κάνει πραγματικότητα το όνειρο για ένα πραγματικά αυτόνομο αυτοκίνητο μηδενικών εκπομπών. Εκτός όμως από την αυτονομία οι άλλες επιδόσεις θα υπολείπονται αυτών των βενζινοκίνητων εκδόσεων. Η προστασία του περιβάλλοντος απαιτεί την στέρηση μεγάλου μέρους από την απόλαυση της οδήγησης.

Η Τογιότα έχει εξελίξει ένα δικό της κράμα τιτανίου, επειδή κανένα από τα υλικά που υπήρχαν στην αγορά δεν κάλυπτε τις απαιτήσεις της. Εκατό κιλά από το κράμα της Τογιότα απορροφούν και συγκρατούν πάνω από 20.000(!) λίτρα υδρογόνο, ποσότητα ικανή να κινήσει το αυτοκίνητο για 250 χιλιόμετρα. Η ισχύς της συστοιχίας ενεργειακών κυψελών που κινεί το αυτοκίνητο είναι 27 ίπποι.
Για να συλλάβουμε το μέγεθος της εξοικονόμησης ενέργειας που επιτυγχάνεται, η αντίστοιχη κατανάλωση σε βενζίνη είναι 3 λίτρα/100 χιλιόμετρα. Σκεφτείτε αντίστοιχα την κατανάλωση του συμβατικού RAV και βγάλτε τα συμπεράσματά σας.
Όμως η εμπορική εκμετάλλευση αυτής της τεχνολογίας προϋποθέτει την ύπαρξη ασφαλούς και αξιόπιστης υποδομής για την διανομή καθαρού υδρογόνου, πράγμα δύσκολο έως ανέφικτο προς το παρόν. Έτσι η Τογιότα παρουσίασε το 1997 ακόμα ένα ηλεκτρικό RAV4 που κινείται με ενεργειακές κυψέλες, μόνο που αυτή την φορά το υδρογόνο παράγεται πάνω στο αυτοκίνητο από μεθανόλη.
Η μεταφορά μεθανόλης στο αυτοκίνητο είναι ευκολότερη, όπως άλλωστε και ο ανεφοδιασμός. Από την άλλη πλευρά η μετατροπή της σε υδρογόνο έχει σαν παράγωγο διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο δεν θεωρείται δηλητηριώδης ρύπος, αλλά επιβαρύνει το φαινόμενο του θερμοκηπίου.
Επίσης παράγονται μικρές ποσότητες υδρογονανθράκων, οξειδίων του θείου και του αζώτου, αλλά ακόμη και έτσι, οι ποσότητες αυτών των ρύπων είναι το ένα δέκατο αυτών που παράγουν τα θερμικά αυτοκίνητα.
Έτσι ένα αυτοκίνητο ενεργειακών κυψελών που καταναλώνει μεθανόλη είναι σύμφωνα με τη νομοθεσία της Καλιφόρνια όχημα ιδιαίτερα χαμηλών εκπομπών ρύπων.
Το καύσιμο μεταφέρεται μέσα στο ηλεκτρικό RAV4 σε ένα ρεζερβουάρ μεθανόλης που έχει πάρει τη θέση του ρεζερβουάρ βενζίνης. Η μεθανόλη μετατρέπεται σε υδρογόνο από έναν αναμορφωτή καυσίμου. Τα αέρια παράγωγα της αντίδρασης αναμόρφωσης περνούν μέσα από έναν καταλύτη όπου το μονοξείδιο μετατρέπεται σε διοξείδιο του άνθρακα. Στη συνέχεια τροφοδοτούνται στην συστοιχία των ενεργειακών κυψελών όπου το υδρογόνο αντιδρά με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας σχηματίζοντας νερό. Από την αντίδραση αυτή παράγεται η ηλεκτρική τάση που κινεί το αυτοκίνητο. Το νερό ανακυκλώνεται και επανατροφοδοτεί τον αναμορφωτή καυσίμου. Η ισχύς της συστοιχίας των κυψελών που κινεί αυτό το αυτοκίνητο είναι 34 ίπποι και αυτονομία φτάνει τα 500 χιλιόμετρα. Ο ηλεκτροκινητήρας που κινεί το αυτοκίνητο έχει ισχύ 68 ίππων και ροπή 19,4 kgm.

Για να είναι άμεσα διαθέσιμη όλη η ισχύς στην εκκίνηση αλλά και στις προσπεράσεις, τις ενεργειακές κυψέλες συμπληρώνει ένα σύστημα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας που στην περίπτωση του RAV4 είναι μία συστοιχία από μπαταρίες. Tο σύστημα αποθήκευσης «φορτώνει» από τις ενεργειακές κυψέλες και παρέχει στον ηλεκτροκινητήρα την ισχύ που απαιτείται σε κάθε περίπτωση.
Eπίσης κατά το φρενάρισμα η λειτουργία του κινητήρα αντιστρέφεται οπότε η κινητική ενέργεια του οχήματος μετατρέπεται σε ηλεκτρική (από τον κινητήρα που θα λειτουργεί σαν γεννήτρια) και αποθηκεύεται πάλι στο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας. Tο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας του RAV4 με ενεργειακές κυψέλες είναι σημαντικά μικρότερο και ελαφρύτερο από μία συστοιχία μπαταριών που κινεί ένα κοινό ηλεκτρικό αυτοκίνητο. Το ηλεκτρικό RAV4 με ενεργειακές και καύσιμο μεθανόλη έχει επιδόσεις, αυτονομία, τρόπο και υποδομή ανεφοδιασμού συγκρίσιμους με τα σημερινά θερμικά αυτοκίνητα.
4t4.jpg
Σχήμα 4: Η μεθανόλη μπορεί να αποτελέσει πηγή υδρογόνου για μια ενεργειακή κυψέλη, με τη βοήθεια ενός κατάλληλου αναμορφωτή. ο αναμορφωτής αυτός αποτελείται από τρεις βαθμίδες. Στην πρώτη το μίγμα νερού και μεθανόλης αεριοποιείται και τροφοδοτείται στη δεύτερη βαθμίδα, όπου λαμβάνει χώρα - παρουσία καταλύτη - η αντίδραση της μεθανόλης με το νερό (και τα δύο σε αέρια κατάσταση), με παράγωγα υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Πριν την είσοδο του μίγματος που προκύπτει στη τρίτη βαθμίδα του αναμορφωτή προστίθεται και μικρή ποσότητα αέρα, ώστε παρουσία καταλύτη το τυχόν μονοξείδιο του άνθρακα να μετατραπεί σε διοξείδιο. Από εκεί και πέρα το υδρογόνο που παράχθηκε τροφοδοτεί την ενεργειακή κυψέλη, ενώ το διοξείδιο του άνθρακα αποβάλλεται ως καυσαέριο.

Το άδηλο μέλλον…

…λοιπόν φαίνεται να ανήκει(;) στις ενεργειακές κυψέλες. Δεν είναι τυχαίο ότι γίγαντες όπως η Τογιότα επενδύουν σε αυτές. Οι λόγοι είναι τρεις:

  1. Oι ενεργειακές κυψέλες έχουν υψηλότερο βαθμό απόδοσης από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης αλλά και από τα απλά ηλεκτρικά αυτοκίνητα.
  2. Οι ενεργειακές κυψέλες παράγουν ενέργεια καταναλώνοντας καύσιμο που μεταφέρεται στο αυτοκίνητο. Έτσι και εξοικονόμηση φυσικών πόρων υπάρχει, αφού όταν δεν λειτουργεί το αυτοκίνητο δεν καταναλώνει καύσιμο, και η δυνατότητα αυτονομίας στα επίπεδα των θερμικών αυτοκινήτων, αφού αυτή είναι συνάρτηση του μεγέθους της δεξαμενής καυσίμου.
  3. Πρόκειται για τεχνολογία μηδενικών εκπομπών, άρα συμβατή με τις νομοθετικές ρυθμίσεις της Καλιφόρνια και τις αντίστοιχες που μελετάται να ισχύσουν στην Ευρώπη. Βέβαια από μακροσκοπική άποψη πρέπει το υδρογόνο, η μεθανόλη ή οποιοδήποτε άλλο καύσιμο να παράγονται με οικολογικό τρόπο.
4t5.jpg
Σχήμα 5: Για συγκρίσεις μεγεθών: Ενεργειακή κυψέλη για βιομηχανική χρήση