Fakulteta za matematiko in fiziko

Gorivne celiceEnergija prihodnosti

Avtor: Marina Marič Leto: 24.02.2012Predmet: Moderna fizika Letnik: 3. Letnik FMTMentor: prof. dr. Marko Zgonik

KAZALO VSEBINE:

1 Uvod v gorivne celice...........................................................................................................................3

2 Zgodovina razvoja gorivnih celic.........................................................................................................3

3 Kaj je gorivna celica.............................................................................................................................5

4 Osnove delovanja gorivne celice.........................................................................................................6

5 Vrste gorivnih celic..............................................................................................................................6

6 Opisi posameznih gorivnih celic..........................................................................................................8

6.1 PEMFC – proton electrolyte membrane fuel cell..........................................................................8

6.2 SOFC – solid oxide fuel cell...........................................................................................................9

6.3 AFC – alcalic fuel cell.....................................................................................................................9

6.4 PAFC – phosphoric acid fuel cell...................................................................................................9

6.5 MCFC – molten carbonate fuel cell.............................................................................................10

7 Izkoristek gorivnih celic.....................................................................................................................10

7.1 Termodinamični izkoristek.........................................................................................................10

7.2 Napetostni izkoristek..................................................................................................................11

7.3 Faradayski izkoristek...................................................................................................................11

7.4 Celoten izkoristek.......................................................................................................................11

8 Uporaba gorivnih celic.......................................................................................................................11

8.1 Avtomobilizem: .....................................................................................................................12

8.1.1 Prednosti in slabosti električnih vozil...................................................................................12

8.2 Uporaba gorivnih celic za sisteme ogrevanja:.............................................................................13

8.3 Računalništvo.............................................................................................................................14

9 Aktualnost gorivnih celic v Sloveniji...................................................................................................14

9.1 Slovenski razvojni potenciali in razvojna partnerstva.................................................................15

9.2 Multiplikativni učinki (zastavljeni cilji in vloga tehnološke platforme)........................................15

10 Zaključek..........................................................................................................................................16

11 Viri...................................................................................................................................................17

2

1 Uvod v gorivne celice

V skrbi za okolje, ki ga zaradi pridobivanja energije iz fosilnih goriv (predvsem nafta in naftni derivati) vedno bolj obremenjujemo s toplogrednimi plini ter težkimi kovinami iz baterij in akumulatorjev nas misel privede do tega da začnemo razmišljati o varčevanju z energijo in s tem nas vse bolj zanima zelena energija, torej energija iz obnovljivih virov energije. Prevečkrat si sami narobe razlagamo pojem varčevanja, ki si ga predstavljamo tako, da bomo recimo znižali porabo energije in s tem tudi stroške zanjo. Le redkokdaj pa pomislimo ob varčevanju z energijo tudi na varovanje okolja, v katerem živimo.

Dandanes je precejšnja informiranost in ozaveščenost javnosti o povečanju emisij ogljikovega dioksida, učinkih tople grede, zmanjševanju ozonske plasti.V gospodarstvu in politiki se zavedajo predvsem problema onesnaževanja okolja, zato na različne načine spodbujajo ukrepe za učinkovito proizvodnjo in porabo energije in zmanjševanje emisij toplogrednih plinov z večanjem uporabe obnovljivih virov energije.Glavni cilj vseh prizadevanj pa je predvsem varovanje okolja ob čim nižji ceni energije. Na tem področju je veliko raziskav o pretvarjanju energije sončnega sevanja, energije vetra, energije valov, plime in oseke, energije bioplinov, geotermalne energije, … v druge oblike energij, od katerih so nekatere bolj, nekatere manj obetavne. Med njimi je zelo zanimivo pretvarjanje energije v gorivnih celicah. Za svoje delovanje potrebujejo vodik in kisik, ki ga je v okolju dovolj, ob tem pa v okolico vračajo vodo in toploto.Gorivne celice so tudi edini vir energije, ki ponuja toliko možnosti za izkoristek in sicer na različne načine.

Prednost samih gorivnih celic je v tem, da dajejo nizkoenergijske emisije ali tudi celo ničte emisije izpušnih plinov, so veliko bolj učinkovite, zanesljive, so vzdržljive, prilagodljive in njihovo vzdrževanje je preprosto.

Ob vseh teh prednostih, ki jih imajo gorivne celice, se vprašamo, zakaj njihova uporaba še ni razširjena na več področjih. Vzroki za to so lahko: za današnji čas previsoka cena celic in vodika; pri nekaterih vrstah gorivnih celic visoke temperature delovanja, za kar je potrebno uporabiti posebne materiale; ker ima vodik majhno gostoto, ga je problem skladiščiti in transportirati; vodik je močno eksploziven. Slabost gorivnih celic je tudi, da v njih potrebujemo vodik, katerega pridobivamo z okolju neprijaznimi postopki. Pri pridobivanju vodika potrebujemo precej energije, kar zniža končni izkoristek gorivnih celic in tako ne zmanjšuje onesnaževanja okolja.

2 Zgodovina razvoja gorivnih celic

Gorivno celico je odkril sir William R. Grove leta 1839 z opazovanjem obratnega postopka elektrolize. Ugotovil je, da če dovajamo na eno elektrodo kisik, na drugo pa vodik, pridobimo električno energijo. Svoje poskuse je opisal leta 1842. Govoril je o plinski voltni bateriji. Prav tako je ugotovil, da je velikost električnega toka odvisna od aktivne površine elektrode. S tem je poleg odkritja gorivnih celic zarisal smeri razvoja.

3

Kljub temu, da so se z razvojem gorivnih celic, s teorijo in s poskusi, ukvarjali mnogi znani kemiki in elektrokemiki, pa je tehnično sprejemljive rešitve predlagal šele angleški

raziskovalec Francis T. Bacon leta 1932. Sestavil je gorivni člen na čisti vodik in čisti kisik.

Slika 1 Gorivni element, ki ga je leta 1932 sestavil Francis Bacon

V sredini 50-ih let prejšnjega stoletja so bile izdelane prve gorivne celice, ki so bile primerne za pogon transportnih sredstev in manjših električnih naprav. Poseben prispevek k razvoju gorivnih celic pa so prispevali predvsem programi raziskovanja vesolja, v zadnjih desetletjih pa energetska kriza in onesnaževanje okolja.

Tabela 1: V tabeli so prikazane letnice in za vsako letnico pomemben člen v razvoju gorivnih celic

1839 Angleški znanstvenik William Grove razvije napravo, ki deluje na elektrokemičnem principu in je sestavljena iz 26 celic. To odkritje predstavlja prvo primitivno gorivno celico, katere delovanje predstavi članom Royal Society v Londonu.

1889 Ludwig Mond in Charles Langer prvič uporabita izraz gorivna celica.

1890 W.Oswald objavi delo, v katerem pojasni osnovni fizikalno-kemični princip delovanja gorivne celice.

1932 Francis Bacon razvije prvo trajno delujočo gorivno celico in sicer H2/ O2.

1911 Bauer in Ehrenberg sestavita gorivno celico, katere gorivo predstavlja ogljikova palica, ki kot anoda pošilja v raztopino C4+ ione. Potrebna obratovalna temperatura znaša 1000 – 1100°C. Elektrolit je raztopljena sol. Na katodi, raztaljenem srebru , nastajajo O2- ioni.

1952 Bacon razvije skupaj s sodelavci Cambridgske univerze gorivno celico s 5kW izhodne električne moči. Harry Karl Ihrig razvije traktor z močjo 15k W, ki ga poganjajo gorivne celice.

1959 Razvito je prvo osebno vozilo, s pogonom na gorivne celice.

1950/1960 Ameriška vesoljska agencija NASA razvija tehnologijo gorivnih celic za uporabo v vesoljskih plovilih. Vesoljski misiji Gemini in Apollo uporabljata gorivne celice, kot primarni vir električne energije v vesoljskih plovilih.

1970 Zaradi nastopa naftne krize se pojavijo velike investicije kapitala v razvoj gorivnih celic(ZDA, Nemčija).

4

1980 NASA nadaljuje z uporabo gorivnih celic kot vira električne energije tudi v programu Space Shuttle.

1993 Izdelan je prvi avtobus, ki ga poganjajo gorivne celice.

1997 Toyota in Daimler- Chrysler predstavita prototip osebnega avtomobila, ki ga poganjajo gorivne celice.

1999 Koncern Daimler- Chrysler predstavi vozilo za prevoz potnikov, s pogonom na gorivne celice, ki ne povzroča škodljivih vplivov na okolje.

3 Kaj je gorivna celica

Gorivna celica je elektrokemična naprava, ki pretvarja kemično energijo goriva (vodik, zemeljski plin, metanol, bencin) s pomočjo oksidanta(snov, ki oskrbuje gorivo z molekulami kisika) neposredno v električno energijo brez vmesne pretvorbe v toplotno energijo. To je njena prednost pred toplotnim strojem, kjer je maksimalni izkoristek omejen z razliko temperatur med toplotnim ponorom in temperaturo delovanja toplotnega stroja.

Slika 2 Sestavni deli gorivne celice

Osnovni sestavni deli gorivne celice so: anoda (gorivna elektroda) je pozitivno nabita elektroda, ki katalizira reakcijo

oksidacije goriva; katoda je elektroda, ki katalizira reakcijo redukcije kisika in vodi elektrone iz

zunanjega vodnika do mesta reakcije na kisikovi elektrodi; elektrolit skrbi za prenos ioniziranih delcev (ionov), ki so vključeni v reakcijo med

gorivom in oksidacijsko elektrodo, obenem pa mora preprečevati prenos elektronov (prevajanje elektronov v elektrolitu bi povzročilo kratek stik v tokokrogu).

Elektrolit v gorivni celici je lahko kisel ali bazičen (alkalen). Glavna elektrokemična razlika je, da je ionski prevodnik v kislem elektrolitu vodikov ion (H+), v alkalnem pa hidroksidni ion (OH˗). V gorivni celici s kislim elektrolitom nastaja voda na katodi, v celici z alkalnim elektrolitom pa na anodi.

5

4 Osnove delovanja gorivne celice

Delovanje gorivne celice je podobno galvanskemu členu oz. zagonski bateriji, ki jo uporabljamo v avtomobilih, s to razliko, da gorivno celico moramo oskrbovati z gorivom, pri suhem členu pa reaktante vključimo že pri izdelavi. Gorivo je običajno vodik, ali plin, ki vsebuje vodik in zrak. Za proizvodnjo električne energije z gorivnimi celicami je značilna zelo nizka emisija škodljivih plinov, velik izkoristek, tiho delovanje in možnost enostavnega povezovanja posameznih celic v module z različno močjo.

Kot sem že prej omenila, je gorivna celica sestavljena iz dveh elektrod, anode in katode, stisnjenih okoli istega elektrolita(npr. polimerni elektrolit oz. polimerna membrana). Reducent, vodikovo gorivo polnimo v anodo gorivne celice, oksidant, kisik, oziroma zrak, pa vstopa v gorivno celico skozi katodo. Zaradi katalizatorja na anodi se vodikov atom razcepi v proton in elektron, ki po različnih poteh prideta do katode. Proton potuje skozi elektrolit. Elektroni pa tvorijo poseben tok, ki predstavlja električni tok in se lahko uporablja, preden elektroni pridejo do katode, kjer se ponovno združijo z vodikovim ionom in kisikom v molekulo vode.

5 Vrste gorivnih celic

Za pretvorbo kemične energije vodika v druge oblike energije obstaja več poti. Ena najbolj učinkovitih je direktna pretvorba kemične energije goriva v električno in toplotno energijo z elektrokemičnimi členi na gorivo, t.i. gorivnimi celicami. Poznamo več tipov gorivnih celic.

1) Gorivne celice lahko delimo glede na: Delovno temperaturo: na visoko (>260°C), srednje(120-260°C) in nizko

temperaturne(<120°C) gorivne celice, Tlak delovanja (visoko, srednje, nizko tlačne) Uporabljeno gorivo in oksidant gorivo in oksidant v plinastem agregatnem stanju

(vodik, amoniak, zemeljski plin, zrak, kisik); tekoča goriva(metanol); celice na trdna goriva(premog)

Stanje goriva: - direktni(v njih se osnovno gorivo-vodik pripravi v sami celici) in indirektni(osnovno gorivo pripravimo zunaj celice).

2) Osnovna delitev gorivnih celic glede na elektrolit: Alkalna gorivna celica (AFC – alkaline fuel cell) Fosforno-kislinska gorivna celica (PAFC – phosporic acid fuel cell) Gorivna celica s protonsko prevodno membrano (PEMFC – proton electrolyte

membrane fuel cell) Gorivna celica s trdnimi oksidi(SOFC – solid oxide fuel cell) Gorivna celica s trdnimi polimeri (SPFC – solid polymer fuel cell) Gorivna celica s staljenim karbonatom (MCFC – molten carbonate fuel cell)

6

Direktno metanolska gorivna celica (DMFC – direct methanol fuel cell)

3) Po načinu dovajanja goriva pa delimo gorivne celice na: Primarne Sekundarne

Primarne gorivne celice: Slika 3 Primarni gorivni elementi

V primarnih gorilnih celicah gorivo in oksidant dovajamo na elektrodi iz zunanjih rezervoarjev, produkt reakcije pa je izmet – odpadek(O1, N1, H1O, CO1). Delovanje takšnih gorivnih celic je podobno delovanju baterij.

Sekundarne gorivne celice: Slika 4 Sekundarni gorivni elementi

V sekundarnih ali obnovljivih gorivnih celicah se produkt reakcije obnovi v izhodiščne elemente ob dovajanju termične ali električne energije. Za regeneracijo se lahko uporabi tudi sončna energija ali energija iz jedrskih reaktorjev. Elementi se lahko obnovijo v gorivnem elementu ali izven njega in to sprotno ali v posameznih ciklusih. Sekundarni gorivni elementi so po principu delovanja podobni akumulatorju.

7

6 Opisi posameznih gorivnih celic

Slika 5 Elektro – kemične reakcije znotraj celic različnih tipov

6.1 PEMFC – proton electrolyte membrane fuel cell

Med vsemi tipi gorivnih celic najpogosteje srečamo PEM gorivne celice, verjetno zato, ker jih je relativno enostavno narediti in so tudi najpogosteje uporabljene za različne namene. Te nizkotemperaturne celice delujejo pri relativno nizkih temperaturah med 4 in 90°C in pri tlaku med 3 in 5 bari. Imajo visoko gostoto energije, katere izhodna moč se lahko zelo hitro spreminja. Gorivo je čist vodik, oksidant pa je kisik ali zrak. Primerne so za avtomobile, pri katerih je potreben hiter zagon, lahka vozila, zgradbe ter drugo manjšo porabo. Celica deluje le, če membrana vsebuje dovolj vode, ki ji zagotavlja protonsko prevodnost. Problem uporabe je še vedno visoka cena polimernih membran.

Princip delovanja: Slika 6 Zgradba PEM gorivne celice

Osnovna enota gorivne celice je sestavljena iz pozitivne elektrode (katode) in negativne elektrode (anode), med katerimi je umeščen prevodnik (elektrolit). Plinsko – difuzijski elektrodi sta običajno sestavljeni iz difuzijskega sloja in iz katalitskega sloja. Difuzijski sloj je tanek prozoren material, ki zagotavlja enakomerno porazdelitev plinskih reaktantov (vodika ali kisika) po površini katalitskega sloja elektrode. Ta je sestavljen iz mikroporoznega sloja, v katerem je glavna komponenta katalizator, močno dispergirana kovina na nosilcu (običajno Pt na aktivnem oglju). Na stiku treh faz v katalitskem sloju (plina, elektrolita in katalizatorja) potekajo osnovne elektrokemične reakcije, ki omogočajo pretvorbo spremembe proste entalpije reakcije med gorivom in oksidantom v električni tok. Za pline neprepustna protonsko prevodna membrana omogoča transport protonov od anode h katodi, električno prevodne komponente v katalitskem sloju in difuzijskem sloju (aktivno

8

oglje in ogljikova vlakna) pa omogočajo transport elektronov po zunanjem tokokrogu preko električnega bemena.

6.2 SOFC – solid oxide fuel cell

So zelo obetavne gorivne celice, zato jih intenzivno raziskujejo. Princip delovanja oksidnih gorivnih celic je zelo podoben delovanju PEM gorivnih celic, le da imamo drugačen ionski tok, zaradi česar se razlikujejo reakcije na elektrodah. Delujejo pri bistveno višjih temperaturah (900 – 1000°C). Pri tako visokih temperaturah ne potrebujemo dragih katalizatorjev za sprožitev elektrokemičnih reakcij. Kot gorivo lahko uporabljamo kar ogljikovodike, saj se dekompozicija goriva izvaja neposredno na anodi pri visoki temperaturi (t.i. »internal reforming«), brez ločenega reformerja (procesorja za gorivo). Izkoristek pretvorbe (60%) je zaradi direktne dekompozicije goriva na anodi dober tudi pri uporabi fosilnih goriv ali goriv pridobljenih iz biomase. Ogljikov monoksid pri reakciji ne nastopa kot element, ki zastruplja celico, ampak kot gorivo.

6.3 AFC – alcalic fuel cell

Alkalne gorivne celice delujejo z zelo čistim vodikom (gorivo) in z zelo čistim kisikom (oksidant) in dosežejo električni izkoristek do 70%. Elektrolit je v večini primerov KOH. Razvite so bile v petdesetih in šestdesetih letih prejšnjega stoletja za vesoljska plovila.Reakcija na anodi: H2 + 2(OH)- = 2H2O + 2e-

Reakcija na katodi: 12O2 + H20 + 2e- = 2(OH)-

Te celice delujejo pri nizkih temperaturah (<120°C). Problem pri delovanju predstavlja reakcija med elektrolitom in CO2, ki se nahaja v zraku. Nastaja namreč kalijev karbonat, ki maši porozne elektrode in zmanjšuje učinkovitost delovanja. Zato moramo kot oksidant uporabljati čisti kisik. Za katalizator uporabljamo platino, kar močno podraži izvedbo gorivnih celic. Zaenkrat so predrage za komercialno uporabo, uporabljajo se le za vojaško in vesoljsko tehniko.

6.4 PAFC – phosphoric acid fuel cell

Večje enote gradijo izključno iz fosforno kislinskih gorivnih celic, ki so v tem trenutku tudi edine komercialno najbolj dosegljive in razvite; dosegajo izkoristke električne energije do 40% in in skoraj 58%, če uporabimo tudi paro, ki jo te gorivne celice tudi proizvajajo. delujejo pri temperaturah od 180 do 200°C. Njihova prednost je, da niso tako občutljive na prisotnost CO2 (do 5%), zato lahko v procesu uporabljamo vodik, ki ga v celici pridobivamo iz metanola ali zemeljskega plina, kot oksidant pa zrak. Njihova slabost je, da potrebujejo dolg zagonski čas – do 5 ur. Reakcija na anodi: H2 = 2H+ + 2e-

Reakcija na katodi: 12O2 + 2H+ + 2e- = H20

9

Tako pri alkalnih, kot tudi pri fosfor kislinskih gorivnih celicah uporabljamo kot katalizator drage materiale – na primer platino.Uporabljamo jih v bolnicah, domovih za ostarele, hotelih, uradih, šolah, elektrarnah, tudi v večjih vozilih, avtobusih, lokomotivah.

6.5 MCFC – molten carbonate fuel cell

Gorivne celice s staljenim karbonatom. Celice uporabljajo kot elektrolit alkalne kovinske karbonate (Li, Na, K). Ker lahko soli delujejo kot elektroliti samo v tekoči fazi, je delovna temperatura celic med 600 in 700°C, kar je nad temperaturo tališča omenjenih snovi. Reakcija na anodi: H2 + CO3

2- = H2O + CO2 + 2e-

Reakcija na katodi: 12O2 + CO2 + 2e- = CO3

2-

Zaradi visokih temperatur ni potrebna uporaba dodatnih katalizatorjev. Kot gorivo se uporabljajo zemeljski plin in ogljikovodiki, ki jih uvajamo direktno v gorivno celico brez dodatne zunanje kemijske razgradnje, kot na primer pri fosfor kislinskih gorivnih celicah. Staljeni alkalni kovinski karbonati so zelo korozivni, zato pri teh celicah pogosto prihaja do težav s tesnjenjem. Pri delovanju t.i. »vročega modula« visokih temperatur okoli 650°C se vroči plini in para lahko uporabijo za sekundarno proizvodnjo elektrike – podobno kot pri kombiniranem procesu s plinsko turbino. Pričakovani izkoristki takšnih elektrarn so nad 65%. Če primerjamo klasično termoelektrarno, to skoraj predstavlja dvakratno povečanje proizvodnje elektrike.

7 Izkoristek gorivnih celic

Izkoristek gorivnih elementov se lahko definira na več načinov in to kot:

termodinamični napetostni faradayski

7.1 Termodinamični izkoristek

Maksimalno električno delo Ae elektrokemijske spremembe v gorilnih celicah pri konstantni temperaturi in konstantnem tlaku je enako po Faradeyem zakonu prosti reakcijski entalpiji elektrokemijske rakcije , kar je prikazano v enačbi:

∆ G=−n ∙F ∙E;kjer je n število ekvivalentov, izmenljivih elektronov, F, Faradayeva konstanta (96,439 C), in E potencial celice ali notranja energija celice.

Termodinamični izkoristek je definiran z enačbo:

ƞi=∆G∆ H

=1−T ∙ ∆ S∆ H

;

10

kjer je ΔG prosta reakcijska entalpija, ΔH reakcijska entalpija, T temperatura in ΔSsprememba entropije.

7.2 Napetostni izkoristek

Zaradi notranjih uporov elektrolita in reakcijskega sloja elektrode, se pojavi notranji padec napetosti, tako da je napetost na kontaktih V manjša od potenciala celice E. Na osnovi tega se z enačbo definira napetostni izkoristek gorivnega elementa:

ƞV =VE

.

7.3 Faradayski izkoristek

Ta izkoristek je merilo za popolnost izkoriščanja goriva v elektrokemijski reakciji, ki proizvaja elektriko. Definira se z enačbo:

ƞF=Q

Qm;

kjer je pomeni Q velikost električnega naboja, dobljenega iz gorivnega elementa, Qm pa velikost električnega naboja, ki bi ga lahko dobili iz goriva pri idealni kemijski reakciji.

7.4 Celoten izkoristekCeloten izkoristek gorivnega elementa je produkt vseh treh izkoristkov:

ƞ=ƞi ∙ ƞV ∙ ƞF .

Celoten izkoristek je nižji od termodinamičnega predvsem zaradi notranjega padca napetosti in zaradi nezaželenih sprememb, ki nastanejo v elementu med obratovanjem. Do sedaj doseženi izkoristek za gorivnega elementa tipa vodik-kisik je približno 60%.

8 Uporaba gorivnih celic

V gorivni celici pridobivamo električno energijo in toploto. Imajo dober izkoristek, zato jih lahko uporabljamo na različnih podočjih. V nadaljevanju bom naštela nekaj primerov uporabe gorivnih celic.

11

8.1 Avtomobilizem: Slika 7 Zgradba novega avta

Vpliv avtomobilizma na okolje je vse bolj zaskrbljujoč, zato se avtomobilski proizvajalci takoj za vesoljskimi agencijami vse več ukvarjajo z raziskovanjem alternativnih virov energije. Pri avtomobilski industriji ne gre toliko za problem, kako priti do goriva, temveč kako zmanjšati obremenjenost okolja, kar je prednostna naloga svetovne politike.

Po napovedih General Motorsa naj bi imeli avtomobili v prihodnosti vso mehaniko, elektriko in elektroniko spravljeno v 28 cm debelo, 4,4 m dolgo in 1,8 m široko dno avtomobila. V zadnjem delu šasije bo nameščenih 200 gorivnih celic, zloženih v blok, ki bo meril 47×25×49 cm. Izhodna moč bloka naj bi bila 94 kW in električna napetost 125 V. Altenator bo spremenil enosmerni tok v izmeničnega. S transformatorjem bodo napetost povečali na 250V.Tako bodo poganjali trifazni asinhronski električni motor z močjo 60 kW, ki bo nameščen v prednjem delu šasije. Osrednji del šasije zavzemajo tri valjaste posode za vodik iz ogljikovih vlaken, v katerih bo shranjenega do 2 kg uplinjenega vodika s tlakom 350 barov.To naj bi bil osnovni princip avtomobila prihodnosti, različni avtomobilski proizvajalci pa iščejo svoje različice. Navkljub vsem izboljšavam, bodo bencinski motorji še vedno dajali večje specifične moči motorja zaradi velike gostote energije v bencinu, kot gorivne celice.

8.1.1 Prednosti in slabosti električnih vozil Slika 8 Električni avto

Prednosti električnih vozil:

nižji stroški prevoza, vozila so tiha, manj obremenjujejo okolje, imajo manj sestavnih delov in s tem tudi nižjo ceno (manjša je tudi možnost okvar in

stroški vzdrževanja), večje udobje potnikov in

12

prevozijo lahko veliko več kilometrov (kot npr. klasični avtomobil, ki ima veliko vrtljivih delov).

Slabosti električnih vozil: doseg vozila je omejen z zalogo energije, ki jo ima vozilo na voljo tudi najsodobnejše baterije imajo še vedno cca. 100krat manjšo energijsko gostoto, to

ne zadostuje za daljše vožnje med potjo moramo dodatno polniti baterije na polnilnih postajah, ki so prilagojene za

hitro polnjenje električnih vozil akumulatorji so težki in zavzamejo veliko prostora. Za 500 kilometrov poti rabi avto

800 kilogramski akumulator akumulatorji imajo omejeno življenjsko dobo. Po izteku življenjske dobe jih je treba

nadomestiti z novimi, stare pa reciklirati, kar je obremenitev za okolje polnenje akumulatorja traja najmanj 3 ure. To težavo lahko rešimo le z zamenljivimi

akumulatorji Izgradnja svetovne mreže polnilnih vodikovih črpalk bi trajala dlje kot deset let in

stala več kot 20 milijard evrov Avto na gorivne celice je drag za izdelavo

8.2 Uporaba gorivnih celic za sisteme ogrevanja:

Do sedaj uporabljani načini ogrevanja so dosegli stopnjo, ko jih težko še izboljšujemo, da bi pridobili več energije in zmanjšali onesnaževanje, zato se iščejo novi viri in med njimi so gorivne celice zelo aktualne. Poleg električne energije gorivne celice proizvajajo tudi toploto in tako dobimo celovito napravo za preskrbo z energijo npr. stanovanjskih objektov.V gorivnih celicah, ki se uporabljajo za ogrevanje in električno energijo v stavbah, se kot elektrolit uporablja tanek sloj polimera, ki je prevlečen s plastjo platine, ki omogoča prenos ionov. Delujejo pri nizkih temperaturah (1000C), imajo kratek zagonski čas (1 do 2 uri) in življensko dobo lahko več kot 10 let. Načrtujejo, da bi izdelali napravo toplotne moči 50 kW in električne moči 4,5kW. Vodik in ogljikov dioksid pridobivamo v reformerju iz zemeljskega plina. Očiščen vodik vodimo v gorivne celice, kjer dobimo enosmerno napetost, toploto in preostali vodik, ki ga vodimo nazaj v reformer. Toploto preko prenosnikov vodimo v stanovanje. Enosmerno električno napetost pretvorimo v izmenično in vodimo do porabnikov v stanovanju. Vodno paro, ki je nastane pri delovanju gorivne celice, vodimo nazaj v reformer.

13

ogljikovdioksid

zemeljskiplin

zrak - kisikcelicagoriva elek.energije

SLIKA 2

Gorivna

pretvornikelektričnenapetosti

ProizvodnjaPriprava

vodna para

Vodik

preostalivodik

reformerkonverterčistilnik

celic Istosm.nap.

sklop

gorivnih

Toplota

Izmen.nap.

Slika 9 Sistem ogrevanja

8.3 Računalništvo

Na področju računalništva so najbolj pomembne PEM – celice na direktni vbrizg metnola. NEC se ponaša z baterijo z elektrodami iz ogljikovih nanocevk, s katero je moč prenosniku z enim polnjenjem metanola količine 0,3 litra zagotoviti pet ur delovanja. Vendar je že zdaj Toshiba prehitela, saj enako trajanje dosežejo s šestkrat manjšo dozo. To se jim je posrečilo s celicami, ki kot gorivo uporabljajo bolj koncentrirano raztopino metanola. Podobno učinkovistost napoveduje Casio. Razvitih je tudi že več modelov baterij za majhne prenosne naprave. Tovrstna Toshibina baterija naj bi z enim zanemarljivo majhnim polnjemnjem poganjala dvajset ur, medtem ko NEC načrtuje baterije, ki so okoli desetkart učinkovitejše od trenutnih litij – ionskih.

Slika 10 Prenosni računalnik na gorivne celice

9 Aktualnost gorivnih celic v Sloveniji

Začetki resnejših organiziranih naporov za uveljavitev raziskovalno-razvojnega dela na področju vodikovih tehnologij segajo v leto 1996, ko so se začeli financirati prvi raziskovalni projekti s strani slovenske države. Temu je sledilo praktično sočasno vključevanje vrhunskih slovenskih raziskovalnih ustanov v projekte Evropske skupnosti in sicer že v njenem 4.

14

Okvirnem programu. Vendar se je raziskovalno-razvojno delo na tem področju v Sloveniji resneje razmahnilo šele po letu 2000.

9.1 Slovenski razvojni potenciali in razvojna partnerstva

V okviru slovenske industrije, raziskovalnih in izobraževalnih institucij je prišlo do povezave in v sodelovanju z gospodarsko zbornico se je ustanovila Slovenska tehnološka platforma za vodik in gorivne celice (SIHFC).

Razvojne aktivnosti usmerjene na tri glavna področja:- gorivne celice za stacionarne sisteme- gorivne celice za mobilne sisteme - pridobivanje in shranjevanje vodika

Celoten razvoj gorivnih celic je prevelik zalogaj, zato je usmerjenost predvsem v:- razvoj nekaterih ključni komponent gorivnih celic- razvoj nekaterih pripadajočih komponent - razvoj ostalih delov sodobnih pogonskih sistemov

Razlogi za tovrstne usmeritve: Naše raziskovalne institucije so močne na področju bazičnih raziskav, kjer je že

vpeljan razvoj nekaterih osrednjih komponent kot so npr. membrane za prenos protonov

Naša industrija je fleksibilna in je že vpletena v razvoj sistemov gorivnih celic (Domel – sodelovanje s Hydrogenics (Kanada)) in podsistemov (Iskra Avtoelektrika)

Ena izmed najmočnejših vej slovenskega gospodarstva je proizvodnja elektromotorjev (Iskra Avtoelektrika, Domel, Rotomatika, Kolektor...). Močni smo na področju elektronskih krmilnikov in ostalih elektronskih komponent. Eden izmed ključnih elementov pa so tudi inovacije na področju najsodobnejših elektromotorjev za direktni pogon vozil

Naše gospodarstvo je sposobno s testiranjem obeh sistemov gorivnih celic (PEM in SOFC) preveriti podsisteme, ki skupaj z gorivno celico, kot srcem, omogočajo delovanje celote

Testiranje omenjenih podsistemov na trgu že obstoječih produktov, bo omogočilo slovenski industriji spoznati tehnične zahteve teh podsistemov ter ji omogočiti izdelavo ostalih komponent ter prodreti na najzahtevnejše trge avtomobilske industrije

9.2 Multiplikativni učinki (zastavljeni cilji in vloga tehnološke platforme)

Širša uporaba gorivnih celic bo za seboj potegnila celo vrsto dodatnih dejavnosti: pridobivanje, skladiščenje in distribucija vodika

15

reciklaža surovin (platina…) nove komponente za avtomobilsko in energetsko industrijo

Poleg novih visoko-kvalitetnih delovnih mest, potreb po bazičnih in aplikativnih raziskavah in konkretni proizvodnji izdelkov z visoko dodano vrednostjo je razvoj gorivnih celic tudi interdisciplinarni mednarodni projekt s katerim se odpirajo nove možnosti za strateške povezave slovenske industrije.

Odpirajo se nove možnosti učinkovite izrabe alternativnih virov energije, kot sta fotovoltaika in vetrna energija. Prav tako Slovenija s svojo več kot 57 % pokritostjo z gozdom ponuja pomemben vir obnovljive energije, ki ga je mogoče učinkovito pretvoriti v vodik. Enako velja tudi za lignit kot možen in vir za učinkovito pridobivanje vodika.

Tehnologije, ki temeljijo na uporabi vodika bodo postopno zmanjšala odvisnost od naftne industrije. V Sloveniji imamo odlične pogoje za pridobivanje vodika s pirolizo lesne biomase.Pridobivanje vodika z elektrolizo v času manjše porabe energije bo povečalo konkurenčnostslovenskega energetskega gospodarstva ter omogočilo povezovanja sektorjev energetike in pometa.

Gorivne celice bodo vplivale na večji del slovenskega in seveda tudi svetovnega gospodarstva, saj bodo prisotne v vseh panogah, kjer se trenutno uporabljajo drugi viri in pretvorniki energije.

Bistveno se bo tudi zmanjšalo obremenjevanje okolja, kar se bo posledično odražalo na boljšem zdravju ljudi in vsemu kar iz tega sledi.

10 Zaključek

Po ocenah in izračunih strokovnjakov je letna svetovna poraba fosilnih goriv enaka količini fosilnih goriv, ki so nastala v milijon letih s pomočjo sončne energije in fotosinteze.

Pri zgorevanju fosilnih goriv prihaja do izločanja škodljivih snovi v ozračje. Količine teh snovi so zaradi intenzivne rabe energije tako velike, da povzročajo že zaznavne spremembe v ozračju. Najbolj izrazite spremembe so povečanje učinka tople grede in spreminjanje vsebnosti ozona v različnih slojih ozračja. Za zmanjšanje porabe fosilnih goriv obstaja veliko možnosti. Ena izmed njih je uporaba obnovljivih virov energije, predvsem pa nove tehnologije, s katerimi lahko istočasno dosežemo tudi večjo izkoriščenost obstoječih virov in zmanjšanje škodljivih emisij v ozračje. Prav zaradi teh razlogov, se kontrolirana reakcija vodika in kisika v gorilnih celicah šteje kot ena od pomembnih rešitev za oskrbo energije v tem stoletju.

Tehnologija gorilnih celic ima vedno večji pomen kot alternativa uporabi fosilnih goriv za pridobivanje električne in toplotne energije. Predvsem se predvideva uporaba gorivnih celic v avtomobilski industriji za pogon avtomobilov in tudi drugih prevoznih sredstev. Kot pri vsaki novosti pa so poleg vseh naštetih dobrih lastnosti vedno prisotne tudi pomanjkljivosti. V tem primeru so to težave s pridobivanjem in skladiščenjem vodika.

16

Slika 11 Obnovljivi viri energije

11 Viri

Handbook of Fuel Cells (Fundamental Technology and Applications); Volume 1; Vielstich, Lamm, Gasteiger; Willey 2003Handbook of Fuel Cells (Fundamental Technology and Applications); Volume 2; Vielstich, Lamm, Gasteiger; Willey 2003ENERGETIKA (učbenik za predmet energetika v 3. In 4. Letniku v programu strojni tehnik); Jurij Drev, Jelka Onuk; SIHFC, obnovljivi viri energije, 2007Fuel Cell Technology Handbook, Gregor Hoogers; CRC Press LLC, 2003http://www.mojmikro.si/geekfest/pogled_naprej/gorivne_celicehttp://gcs.gi-zrmk.si/Svetovanje/Clanki/Grobovsek/PT78.htmhttp://www.mg.gov.si/fileadmin/mg.gov.si/pageuploads/Energetika/Porocila/Gorivne_celice_dipl.pdfhttp://gcs.gi-zrmk.si/Svetovanje/Clanki/Grobovsek/PT78.htmhttp://slo-tech.com/novice/t138508http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cellhttp://www.rtvslo.si/odprtikop/ugriznimo-v-znanost/gorivne-celice-vodik/http://www.bodieko.si/gorivne-celice-%E2%80%93-tiha-cista-in-ucinkovita-energijahttp://www.joker.si/article.php?rubrika=1&articleid=822http://www.motorevija.si/l3.asp?L1_ID=39&L2_ID=209http://www.ove.si/index.php?P=16http://www.youtube.com/watch?v=fS4hZWTo8p4http://www.youtube.com/watch?v=UbaL48ybvGA

17

http://www.in-wheel.com/media/website/slovenska-tehnoloska-platforma-za-vodik-in-gorivne-celice/izhodiscasihfc.pdfhttp://www.chemgeneration.com/si/chemistry-news/nad-oblaki-z-gorivnimi-celicami.htmlhttp://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/alternative-fuels/fuel-cell.htmhttp://www.fuelcells.org/http://www.fueleconomy.gov/feg/fuelcell.shtmlhttp://www.revija-avto.si/clanki/1999-03-gorivne-celice-alternativni-pogon-prihodnostihttp://www.avtomobilizem.com/forum/viewtopic.php?p=847250http://www.in-wheel.com/media/website/delovanje-gorivnih-celic-in-njihova-uporaba-v-industriji-elektricnih-vozil/gorivnecelice.pdfhttp://www.in-wheel.com/media/website/energijski-viri-za-elektricna-vozila-prezentacija/prezentacijaevirizaev.pdfhttp://www.alpin.si/gorivne_celice_eksperimentalni_seti.htmhttp://www.ogrevanje-toplotne-crpalke.si/Oskrba-z-obnovljivimi-viri-energijehttp://www.evropa.gov.si/si/energetika/obnovljivi-viri-energije/

18