Водородни горивни клетки

Възможности за използване

Инфраструктурата се свързва с оборудването и системите, необходими да произвеждат, разпространяват, съхраняват, наблюдават и разпределят гориво, по-специално водород за горивните клетки. Най-разпространеният метод за производство на водород е електролизата на вода, която се извършва в електролизатор. Фирмите-производители на такова оборудване използват различни патентовани технологии за реализиране на електролизата. В статията са представени примери за електролизатори с различни технологии и комбинирана система за производство на водород. Представени са също технологии за външно преобразуване, чрез които също може да бъде произведен водород.
След като бъде произведен, водородът трябва да достигне до крайния потребител. Това може да стане чрез налична и изграждане на нова инфраструктура. Той може да бъде транспортиран в газообразно състояние чрез тръбопроводи, в течно състояние при ниска температура и специални съдове, които след това се превозват с камиони, вагони, кораби и други.

Повечето видове горивни клетки се нуждаят от водород като източник на гориво. Дългосрочната цел на изследванията на горивните клетки е да се произвежда напълно незамърсяващ източник на енергия. За да се постигне това, горивната клетка трябва да работи с водород, произведен от възобновяеми средства. Технология, която да направи това, съществува, но инфраструктурата, за да се постигне това ефективно и евтино, е все още в процес на разработване. В същото време, горивните клетки се захранват с водород, получен от изкопаеми горива (нефт и природен газ) чрез преобразуване. Преобразуването може да се извърши в много голям мащаб при източника или локално, на мястото на използване от страна на малки преобразуватели, интегрирани с горивната клетка.

Производство на водород чрез електролиза
Водородът може да се произвежда чрез електролиза на вода и разделяне на водата на съставните й елементи. Този процес протича в електролизатор, който може да бъде описан като реверсивна горивна клетка. Вместо да съединява електрохимичен водород и кислород за производство на електроенергия и вода, както прави горивната клетка, електролизаторът използва електрически ток и вода за производство на водород и кислород. PEM електролизаторът има ефективност до около 85%.

Основният въпрос тук е източникът на електрически ток. Ако се използва електрическата мрежа, водородът има въглероден отпечатък, свързан с това, че се изгарят въглища или газ, за да се произведе необходимото електричество. Освен това, ако се получава електричество от възобновяеми енергийни източници, като вятърна или слънчева енергия, водородът може да бъде произведен напълно без въглеродни емисии.

Електролизаторите съществуват в много комерсиални версии с различни капацитети, които са на разположение на пазара. Така например, генераторът EL100 на ACTA произвежда от водата водород, който е директно компресиран, сух и чист чрез патентован електролизен процес. CE-сертифициран, с ниска цена, безопасен и високо ефективен, той осигурява необходимия водород за приложенията с горивни клетки на пазара. Електролизаторът EL100 демонстрира големия потенциал на технологията стек от горивни клетки с алкална мембрана между електродите (AES) и простота на дизайна. Платформата HPac 10 на ITM Power пък предлага гъвкаво производство на водород от среден клас. Тя е в два стандартни размера, доставяйки водород при налягане 15 бара и е в състояние да генерира между 1,3 и 5,0kg/денонощие. Базирана на доказана стек технология на ITM, системата работи под диференциално налягане за да се сведат до минимум разходите на инсталацията и да се поддържа чистотата на водорода. Работата с устройството е чрез обикновен бутонен интерфейс, но може да бъде конфигурирано за управление чрез входове от други системи, което го прави много подходящ за интеграционни проекти. HPac се предлага с набор от опции за пречистване на газове и е в състояние да произведе водород за широк кръг от индустриални приложения и горивни клетки.

Генераторът на водород HGenerators превръща дестилирана и дейонизирана вода във водород в газообразно състояние чрез използване на твърд полимерен електролит (SPE), което е една от най-модерните технологии за производство на водород в света. HGenerators генерира директно чист водород чрез електролитно разделяне на чиста вода (дейонизирана вода) в SPE клетка. Не е необходимо да се използва основа. Той може да се използва като заместител на контейнер за водород в много места и е безопасен, надежден и практичен, лесен за работа и преносим. Генераторът на водород HGenerators се състои от електрохимична клетка (SPE), резервоар за вода, сепаратор за водород/вода, касета за изсушаване, сензор, цифров дисплей, платка за управление, основно и допълнително устройство за постоянен ток и предпазен клапан. Електрохимичната клетка използва перфлуорирана мембрана като електролит. Електролизира се само чиста вода за генериране на водород. Когато се включи захранването, на катода и анода на клетката се генерира съответно водород и кислород. Водородът се влива в сепаратора, където се отделя водородът и водата. Кислородът се изпуска към атмосферата. Водородът се влива в касетата за изсушаване, която гарантира, че водородът е чист и сух, а след това се доставя от изхода. Налягането и дебитът на водорода се регулират автоматично чрез схема за управление и се визуализират постоянно на цифровия дисплей. Може автоматично да се включи алармен сигнал в случай на свръхналягане и при други проблеми, възникващи в системата. Генераторът винаги работи безопасно.

Редица компании призоваха към използване на вятърна или слънчева енергия за производство на водород за горивни клетки. Такава система на пазара се предлага например от компанията Fronius. Нейната Energy Cell 50F обхваща цяла система от създаване и съхранение на регенеративна енергия. По този начин тя изпълнява две роли - осъществяване на електролиза и функция на горивна клетка. Фотоволтаичната система преобразува слънчевата светлина в постоянен ток, който след това се преобразува от инвертор в променлив ток и се насочва към потребителите. Ако пък електричеството не е необходимо веднага, се използва за разлагане на водата на водород и кислород, което представлява функцията електролиза на Energy Cell. Водородът се съхранява в резервоара и когато е необходимо съхраненият водород се превръща в електричество, като се използва функцията горивна клетка на Energy Cell. Тази система на Fronius е първата в света TUV Sud сертифицирана система от водородни горивни клетки, която генерира електричество без никакви емисии. Тя преобразува енергията, съхранявана във водорода, директно в електрическа енергия – безопасно и изключително ефективно. Предимствата включват много висока обща ефективност, тиха и спокойна работа, пълна гама функции за безопасност, лесна за експлоатация и поддръжка.

Производство на водород чрез преобразуване на гориво
Водородът може да се генерира чрез преобразуване на въглеводородни горива като природен газ, метанол, бензин или етанол. Това не са непременно изкопаеми горива. Преобразуването на биоетанол, например, е също толкова възможно и това също би трябвало да бъде източник на възобновяем водород. Като цяло, съществуват два различни начина за преобразуване: външно преобразуване, което се извършва преди горивото да достигне до самата горивна клетка, и вътрешно преобразуване, което се извършва в горивните клетки.

Външното преобразуване може да бъде извършено в рафинерията или в химичен завод и водорода да се доставя чрез тръбопровод до станциите за пълнене. Считано от 2004г. в САЩ има изградени 1448km тръбопроводи за водород с ниско налягане и 1497km в Европа. Така например с изграждането на 290km газопровод, който свързва съществуващите системи в Тексас и Луизиана, се обединяват 22 водородни станции и 965km газопровод, с общ капацитет от над 1,3 млн. Nm3/час.

Външно преобразуване също може да се извърши в преобразувател, интегриран с горивната клетка, така че системата от горивни клетки може да се захранва с въглеводородно гориво. След това преобразувателя извлича водорода от горивото и го подава към горивните клетки. В този случай все още ще има емисии от системата на мястото на употреба, но поради по-високата ефективност на горивните клетки те ще бъдат по-малко, отколкото ако газът просто изгаря.

Компанията Precision Combustion разработва интегриран реактор за преработка на течни горива. Основавайки се на своя ултра компактен преобразувател на гориво и каталитични реакторни технологии за преобразуване на гориво, тя оптимизира размера, теглото и характеристиките на своя Fuel Processor, за да се даде възможност на горивни клетки с протонно-обменна мембрана (PEMFC) да работят с течно гориво.

Производство на водород чрез други преобразувания
При производството на водород чрез преобразуване на водна пара, горивото се смесва с пара в присъствието на катализатор от неблагородни метали за производство на водород и въглероден оксид. Този метод е най-добре развит, по-ефективен по отношение на разходите за генериране на водород и е най-ефективен, реализирайки коефициент на преобразуване от 70% до 80% в по-голям мащаб. Преобразуване с частичното окисление пък може да се използва за конвертиране на метан и по-висши въглеводороди, но рядко се използва за алкохоли. Този метод включва реакция на въглеводород с кислород и отделяне на водород, но произвежда по-малко водород за същото количество гориво от преобразуване на пара. Реакцията обаче е екзотермична и следователно генерира топлина. Това означава, че реакцията може да се инициира от прост процес на горене, което води до бързо стартиране. След като системата е пусната в действие, тя изисква малко външно нагряване, за да продължи да функционира. Технологията е за предпочитане където има ограничен достъп до природен газ или изобилие от масло. Автотермично преобразуване е друга възможност. При него се съчетава ендотермичен процес за преобразуване на пара с екзотермична частична реакция на окисление, като по този начин се балансира топлинният поток в и извън реактора. Тези системи могат да бъдат много продуктивни, с бързо стартиране и компактни, и са направени демонстрации с метанол, бензин и природен газ. Много автомобилни и петролни компании също работят върху собствени версии на тази технология.

Съхранение и транспортиране на водорода
Водородът е най-лекият химичен елемент и предлага най-доброто съотношение енергия/тегло на всички горива. Основният недостатък на използването на водорода е, че той има най-ниската плътност на съхранение от всички горива. Въпреки това е възможно да се съхраняват големи количества водород в неговата чиста форма, като се компресира до много високо налягане и се съхранява в контейнери, които са проектирани и сертифицирани да издържат това налягане. По този начин той може да се съхранява като газ или да се охлади под неговата критична точка и да се съхранява като течност.

Днес водородът се транспортира от мястото на производство до мястото на употреба чрез тръбопроводи, с камиони, втечнен до ниска температура или в тръби в газообразно състояние, с железопътен транспорт или чрез шлепове. Транспортирането на газообразният водород чрез съществуващите тръбопроводи в момента е най-евтиният вариант за доставка на големи обеми от водород. Високите първоначални капиталови разходи за строителството на нов тръбопровод, обаче, представляват сериозна пречка за разширяване на инфраструктурата за доставка.

Една от възможностите за бързо разширяване на инфраструктурата за доставка на водород е да се адаптира част от инфраструктурата за доставка на природен газ, за да се пренася водород. Приспособяването на газопроводите за природен газ да пренасят смес от природен газ и водород (до около 20%) могат да изискват само малки промени в тръбопровода, докато приспособяването на съществуващите газопроводи за пренос на природен газ за доставка на чист водород може да изисква по-съществени изменения. Съвременните изследвания и анализи разглеждат и двата подхода.

Друг възможен процес на доставка включва производството на носител на течен водород на централно място, изпомпване чрез тръбопроводи до пунктовете за разпределение и зареждане, както и обработката на носителя на място за производството на водород. Етанолът, получен от възобновяеми ресурси с почти нулеви нетни емисии на парникови газове, е между носителите на водород, взети под внимание.

Течните носители на водород предлагат потенциал за използване на съществуващ тръбопровод и инфраструктура от товарни автомобили за транспортиране на водорода. Камиони, вагони, кораби и шлепове също могат да се използват, за да се доставя компресиран газообразен или втечнен водород.

Технологиите, използвани за съхранение на водород на борда на превозни средства, също ще повлияят проектирането и избора на система за доставка на водород и инфраструктура. За да се увеличи общата енергийна ефективност, системата трябва да избягва ненужните енергоемки етапи и технологията за доставка да съответства с автомобилни технологии за съхранение на борда.

Водородът може да се съхранява също и в твърдо състояние, в химическа комбинация с други елементи. Има редица метали, които могат да усвояват водород много пъти над собственото си тегло. Водородът се освобождава от тези съединения чрез нагряване или добавяне на вода. Изследват се и други носители за съхранение на водород, като например въглеродни нанотръби и микросфери от стъкло.

Други горива
При високотемпературните системи, като клетки с разтопен карбонат и твърди окиси, е възможно въглеводородите (природен газ или метанол) да се подават директно в горивната клетка, без предварително преобразуване. Високата температура позволява фазата на преобразуване да се проведе в структурата на горивните клетки. На практика често се извършва някакво предварително преобразуване или пречистване на горивото. Изключение от това правило са метаноловите горивни клетки, при които катализаторът на анода извлича водорода от течен метанол, което премахва необходимостта от преобразувател за гориво. Поради това, както подсказва и името, като гориво може да бъде използван чист метанол.