Tendències i perspectives de les piles de combustible d'hidrogen per al transport net
Aquest article se centrarà en les piles de combustible d'hidrogen, les tendències i les perspectives per a la seva aplicació. Les piles de combustible basades en hidrogen estan cridant cada cop més l'atenció a la indústria de l'automoció avui dia, perquè si el segle XX va ser el segle del motor de combustió interna, el segle XXI es pot convertir en el segle de l'energia de l'hidrogen a la indústria de l'automoció. Ja avui, gràcies a les cèl·lules d'hidrogen, funcionen les naus espacials, i en alguns països del món, l'hidrogen s'ha utilitzat durant més de 10 anys per generar electricitat.
Una pila de combustible d'hidrogen és un dispositiu electroquímic com una bateria que genera electricitat mitjançant una reacció química entre l'hidrogen i l'oxigen, i el producte de la reacció química és aigua pura, mentre que la crema de gas natural, per exemple, produeix diòxid de carboni nociu per al medi ambient.
A més, les cèl·lules d'hidrogen poden funcionar amb una major eficiència, per això són especialment prometedores. Imagineu motors de cotxe eficients i respectuosos amb el medi ambient.Però actualment tota la infraestructura està construïda i especialitzada per als productes petroliers, i la introducció a gran escala de cèl·lules d'hidrogen a la indústria de l'automòbil s'enfronta a aquest i altres obstacles.
Mentrestant, des de 1839 se sap que l'hidrogen i l'oxigen es poden combinar químicament i obtenir així un corrent elèctric, és a dir, el procés d'electròlisi de l'aigua és reversible, això és un fet científic confirmat. Ja al segle XIX es van començar a estudiar les piles de combustible, però el desenvolupament de la producció de petroli i la creació del motor de combustió interna va deixar fonts d'energia d'hidrogen i es van convertir en quelcom exòtic, poc rendible i car de produir.
A la dècada de 1950, la NASA es va veure obligada a recórrer a les piles de combustible d'hidrogen, i després per necessitat. Necessitaven un generador d'energia compacte i eficient per a la seva nau espacial. Com a resultat, Apol·lo i Gemini van volar a l'espai amb piles de combustible d'hidrogen, que va resultar ser la millor solució.
Avui dia, les piles de combustible estan completament fora de la tecnologia experimental, i en els darrers 20 anys s'han fet avenços significatius en la seva comercialització més àmplia.
No és en va que es dipositen grans esperances en les piles de combustible d'hidrogen. En el procés de la seva feina, la contaminació ambiental és mínima, els avantatges tècnics i la seguretat són evidents, a més, aquest tipus de combustible és fonamentalment autònom i és capaç de substituir les pesades i cares bateries de liti.
El combustible d'una pila d'hidrogen es converteix en energia directament en el curs d'una reacció química, i aquí s'obté més energia que amb la combustió convencional.Consumeix menys combustible i l'eficiència és tres vegades superior a la d'un dispositiu similar que utilitza combustibles fòssils.
L'eficiència serà com més gran, millor organitzada serà la manera d'utilitzar l'aigua i la calor generades durant la reacció. Les emissions de substàncies nocives són mínimes, ja que només s'alliberen aigua, energia i calor, mentre que fins i tot amb el procés organitzat amb més èxit de cremar combustible tradicional, inevitablement es formen òxids de nitrogen, sofre, carboni i altres productes de combustió innecessaris.
A més, les mateixes indústries de combustibles convencionals tenen un efecte perjudicial sobre el medi ambient, i les piles de combustible d'hidrogen eviten una invasió perillosa de l'ecosistema, ja que la producció d'hidrogen és possible a partir de fonts d'energia completament renovables. Fins i tot la fuita d'aquest gas és inofensiva, ja que s'evapora a l'instant.
La pila de combustible no importa de quin combustible s'obté l'hidrogen per al seu funcionament. La densitat d'energia en kWh / l serà la mateixa, i aquest indicador augmenta constantment amb la millora de la tecnologia per crear piles de combustible.
El propi hidrogen es pot obtenir de qualsevol font local convenient, ja sigui gas natural, carbó, biomassa o electròlisi (a través de l'energia eòlica, solar, etc.) Desapareix la dependència dels proveïdors elèctrics regionals, els sistemes solen ser independents de les xarxes elèctriques.
Les temperatures de funcionament de la cèl·lula són força baixes i poden variar entre 80 i 1000 °C, segons el tipus d'element, mentre que la temperatura en un motor de combustió interna modern convencional arriba als 2300 °C.La pila de combustible és compacta, emet un mínim de soroll durant la generació, no té emissions de substàncies nocives, de manera que es pot col·locar en qualsevol lloc convenient del sistema en què treballa.
En principi, no només l'electricitat, sinó també la calor que s'allibera durant una reacció química es pot utilitzar amb finalitats útils, per exemple per escalfar aigua, escalfar espais o refrigerar; amb aquest enfocament, s'aproximarà l'eficiència de generar energia en una cèl·lula. 90%.
Les cèl·lules són sensibles als canvis de càrrega, de manera que a mesura que augmenta el consum d'energia, s'ha de subministrar més combustible. Això és similar a com funciona un motor de gasolina o un generador de combustió interna. Tècnicament, la pila de combustible s'implementa de manera senzilla, ja que no hi ha peces mòbils, el disseny és senzill i fiable i la probabilitat de fallada és fonamentalment extremadament petita.
Una pila de combustible d'hidrogen-oxigen amb una membrana d'intercanvi de protons (per exemple, «amb un electròlit de polímer») conté una membrana que condueix protons d'un polímer (Nafion, polibenzimidazol, etc.), que separa dos elèctrodes: un ànode i un càtode. Cada elèctrode sol ser una placa de carboni (matriu) amb un catalitzador suportat: platí o un aliatge de platinoides i altres compostos.
Al catalitzador de l'ànode, l'hidrogen molecular es dissocia i perd electrons. Els cations d'hidrogen es transporten a través de la membrana fins al càtode, però els electrons es donen al circuit extern perquè la membrana no permet que els electrons passin. Al catalitzador del càtode, la molècula d'oxigen es combina amb un electró (que és subministrat per comunicacions externes) i un protó entrant i forma aigua, que és l'únic producte de la reacció (en forma de vapor i/o líquid).
Sí, els cotxes elèctrics avui funcionen amb bateries de liti. Tanmateix, les piles de combustible d'hidrogen poden substituir-les. En lloc d'una bateria, la font d'alimentació suportarà molt menys pes. A més, es pot augmentar la potència del cotxe no a causa de l'augment de pes a causa de l'addició de cèl·lules de la bateria, sinó simplement ajustant el subministrament de combustible al sistema mentre està al cilindre. Per tant, els fabricants d'automòbils tenen grans expectatives per a les piles de combustible d'hidrogen.
Fa més de 10 anys que es va començar a treballar en la creació de cotxes d'hidrogen a molts països del món, especialment als EUA i Europa. L'oxigen es pot extreure directament de l'aire atmosfèric mitjançant una unitat de compressor filtrant especial situada a bord del vehicle. L'hidrogen comprimit s'emmagatzema en un cilindre resistent a una pressió d'uns 400 atm. L'aprovisionament de combustible triga uns minuts.
El concepte de transport urbà respectuós amb el medi ambient s'aplica a Europa des de mitjans dels anys 2000: aquests autobusos de passatgers es troben des de fa temps a Amsterdam, Hamburg, Barcelona i Londres.En una metròpoli, l'absència d'emissions nocives i la reducció del soroll són extremadament importants. El Coradia iLint, el primer tren ferroviari de passatgers que funciona amb hidrogen, es va llançar a Alemanya el 2018. El 2021, es preveu posar en marxa 14 trens més d'aquest tipus.
Durant els propers 40 anys, el canvi a l'hidrogen com a font d'energia primària per als cotxes podria revolucionar l'energia i l'economia del món. Tot i que ara està clar que el petroli i el gas seguiran sent el principal mercat de combustible durant almenys 10 anys més.No obstant això, alguns països ja estan invertint en la creació de vehicles amb piles de combustible d'hidrogen, malgrat que s'han de superar moltes barreres tècniques i econòmiques.
Crear infraestructures d'hidrogen, gasolineres segures és la tasca principal, perquè l'hidrogen és un gas explosiu. De qualsevol manera, amb l'hidrogen, els costos de combustible i manteniment dels vehicles es poden reduir significativament i augmentar la fiabilitat.
Segons les previsions de Bloomberg, l'any 2040 els cotxes consumiran 1.900 terawatts hora en lloc dels 13 milions de barrils diaris actuals, que suposaran el 8% de la demanda elèctrica, mentre que el 70% del petroli produït al món avui es destina a la producció de combustible de transport. . Per descomptat, en aquest punt, les perspectives del mercat dels vehicles elèctrics amb bateries són molt més pronunciades i impressionants que en el cas de les piles de combustible d'hidrogen.
El 2017, el mercat de vehicles elèctrics va ser de 17.400 milions de dòlars, mentre que el mercat de cotxes d'hidrogen estava valorat en només 2.000 milions de dòlars. Malgrat aquesta diferència, els inversors continuen interessats en l'energia de l'hidrogen i financen nous desenvolupaments.
Així, l'any 2017 es va crear l'Hydrogen Council, que inclou 39 grans fabricants d'automòbils com Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. La seva finalitat és investigar i desenvolupar noves tecnologies d'hidrogen i la seva posterior distribució generalitzada.