Referat Expertiza - Pile de Combustie

8/3/2019 Referat Expertiza - Pile de Combustie

1/11

SOLU II ALTERNATIVE DE PRODUCERE A ENERGIEI

PILE DE COMBUSTIE

Vlad M. Mure an

Rezumatn lucrare sunt prezentate pilele de combustie i o dezbatere dac acestea pot fi sau nu considerate

combustibilul viitorului.

1. INTRODUCERE

In contextul actual, in care se desfasoara asa-zisul Razboi Energetic si in care societatea stiintificaeste constienta de rezervele limitate ale surselor de energie conventionale, cercetarile se concentreaza pedescoperirea si perfectionarea producerii energiei din surse alternative.

Dintre acestea, putem enumera: energia solara, energia eoliana, energia mareelor, energia geotermalasi energia hidroelectrica. Dar, pe langa aceasta abundenta de surse de energie neconventionale, o mare partedin cercetarea surselor de energie alternativa se concentreaza pe implicarea hidrogenului in energeticaviitorului. Dar de ce este luat in discutie Hidrogenul ca si element de producere si stocare a energiei?

Un prim aspect de luat in considerare este abundenta hidrogenului in Univers. Atunci cnd Universula fost creat, nu era nimic, inafara de heliu i hidrogen.

Se spune ca universul era compus 95% din hidrogen, 4% din heliu i 1% din protoni grei. Inprezent, cantitatea de hidrogen s-a redus la 75%, i alte elemente, precum siliciu i fierul, au fost majorate,

acestea fiind rezultatul fuziunii nucleare frecvente n univers. Dar pe Pamant, hidrogenul exista doar subform de molecul diatomic H2, si nu este foarte rspndit n atmosfera terestr din cauza masei mici, astfelforta gravitationala a planetei are un efect foarte slab asupra sa. Totu i, hidrogenul (prin compu ii si) este cel mai rspndit element de la suprafa a Terrei. Cei mai ntlni i compu i chimici ai si sunt hidrocarburile i apa. Hidrogenul elementar este foarte putin raspandit pe Pamant, de aceea pentru obtinerea lui exista

diferite procedee de faricatie.Dintre acestea, putem enumera producerea hidrogenului prin:- Reformarea cu vapori a gazului natural;- Reformarea fractiunilor de petrol (naftene);- Gazeificarea carbunelui;- Electroliza apei;- Descompunerea apei utilizand ciclurile termochimice;

- Fotoliza;- Radioliza;- Fotosinteza.

De asemenea, hidrogenul are un continut energetic ridicat aproximativ 1 kg de Hidrogenechivaleaza cu aprox. 3.5 l de petrol, ceea ce conduce la recunoasterea sa ca si combustibilul ideal pentrunumeroase aplicatii in care prevaleaza greutatea in raport cu volumul. In graficul alaturat se poate observadominarea hidrogenului asupra celorlate tipuri de combustibili.


2/11

TABELUL 1

Ingrijorarea crescanda relativ la poluarea atmosferica urbana, modificarile climatice globale cauzatecel mai probabil de cresterea nivelului asa-numitelor greenhouse gases, precum si necesitatile de securitatea energiei viitorului, cer investigarea rapida a unei solutii pentru o sursa energetica curata si viabila. Separe ca hidrogenul este vazut pe plan mondial ca si un promis combustibil curat care, inegrat intr-o viziunemai larga si complexa, reprezinta in paralel cu electricitatea, un produs secundar de energie. Iar atuurilehidrogenului in acest scop sunt faptul ca nu produce flacara cand arde, arde curat (fara a produce dioxid decarbon sau oxid de sulf), nu se aprinde spontan (punctul de ardere al benzinei este 500 C, comparativ cuhidrogenul, la 570 C), iar punctul de fierbere foarte scazut (-253 C).

Alte argumente care pledeaza pentru hidrogen ca si energie a viitorului sunt:- Hidrogenul poate fi produs din orice sursa de energie, incluzand sursele de energii

neconventionale;- Hidrogenul poate fi produs cu ajutorul energiei electrice si poate fi convertit in energie electrica

cu o mare eficienta;- Materialul de baza pentru producerea hidrogenului este apa, care este disponibila din abundenta.

Hidrogenul este un combustibil (neconventional) complet regenerabil pentru ca, rezultatulutilizarii hidrogenului este apa pura sau vaporii de apa;

- Poate fi stocat in forma gazoasa (convenabil pentru stocarea la scara mare), in forma lichida(convenabil pentru transportul in aer sau in spatiu) sau sub forma de metal hibrid (convenabilpentru masini sau alte necesitati de depozitare la scara mica);

- Poate fi transportat la mari distante prin conducte sau rezervoare (in cele mai multe cazuri multmai eficient si economic decat electricitatea);- Poate fi convertit in alte forma de energie pe mai multe cai si cu mai mare eficienta decat orice

combustibil (arzatoare catalitice, pile de combustie, hidruri).- Poate fi transportat prin conducte, in retele de gaze care nu difera esential de cele existente sau in

faza lichida in tancuri maritime;- Are o extrema flexibilitate de utilizare, putand practic acoperi intreaga piata a energiei, precum

si o mare parte a materiilor prime pentru industria chimica, metalurgica si alimentara.Importanta utilizarii hidrogenului reiese clar din cele prezentate mai sus, astfel ca posibilitatea

utilizarii unor sisteme de retele existente face ca in viitor o astfel de decizie sa devina una aproapeobligatorie in situatia substituirii gazelor naturale combustibile cu hidrogenul, astfel incat acesta sa devinadintr-o sursa complementara, una de baza.

Hidrogenul si electricitatea pot forma un sistem permanent de energie, independent. Cheiasuccesului intr-un asemenea sistem de energie este tehnologia de producere, stocare , transport si utilizare a


3/11

hidrogenului. Aceste tehnologii, deja dezvoltate si demonstrate, vor permite in viitor utilizarea pe scara largaa hidrogenului ca energie termica, mecanica si electrica.

Printre tehnologiile de conversie ale hidrogenului se pot aminti:- Combustia interna in motoare;- Arderea hidrogenului si oxigenului in generatoarele de abur;- Arzatoarele catalitice;- Tehnologiile metalelor hidride;

- Conversia electro-chimica in pilele de combustie.

2. PILE DE COMBUSTIE

Hidrogenul poate fi convertit in energie electrica prin conversia electro-chimica in pilele decombustie. Astfel, hidrogenul poate fi combinat cu oxigenul, fara combustie, printr-o reactie electrochimica(reversia electrolizei), in urma careia se produce energie electrica (curent continuu) si energie termica.Dispozitivul in care are loc o astfel de reactie se numeste pila de combustie electrochimica sau simplu pilade combustie.

Asadar, pila de combustie este o celula galvanica in care energia libera a unei reactii chimice estetransformata in energie electrica.

2.1 Constructia si functionarea unei celule de combustie

O pila de combustie sau celula de combustie, este formata dintr-un anod alimentat cu combustibil(H2) si un catod alimentat cu oxigen din aer, separati intre ei printr-un electrolit (de exemplu o membrana dinmaterial artificial-plastic) care permite transferul de ioni intre cei doi electrozi. Electronii formati prindisocierea hidrogenului la anod se deplaseaza spre catod pritr-un circuit extern pentru a participa la reducereaoxigenului cu formare de apa.

Acest flux de electroni transforma celula ntr-o sursa (izvor) de energie. De asemenea va fi folosita sicaldura rezultata. La anod (polul negativ) hidrogenul va fi descompus cu ajutorul unui catalizator n ionipozitivi si electroni negativi. Trebuie facuta diferenta dintre sensul real al electronilor n circuit si, implicit, sia sensului curentului electric si sensul conventional.

Modul de functionare a unei celule de combustibil este prezentat n figura 2.1.1. FIGURA 2.1.1Functionare pila de combustie


4/11

Fiecare atom de hidrogen va ceda cte un electron, care printr-un conductor se va ndrepta spre catod(polul pozitiv). Astfel circula curent electric, cu ajutorul caruia ionii de hidrogen se vor combina cu oxigenul,rezultnd apa.

Reaciile electrochimice care au loc sunt constituite din dou reacii distincte:a) Oxidarea hidrogenului la anod:

H2 2 H+ + 2e- ;

b) Reducerea oxigenului la catod:O2 + 4H+ + 4e- 2H2O ;

Reacia global care are loc n pil este:2H2 + O2 2H2O

FIGURA 2.1.2

Reactii electrochimice pila de combustie

ntr-o celula de combustibil, energia chimica acumulata n combustibil se transforma n energieelectrica si energie termica. Energia combustibilului = Energie electrica + Energie termica. n figura 2.1.3sunt prezentate produsele celulei de combustibil.

FIGURA 2.1.3Produsele pilei de combustie

Conform legilor electrochimiei, o singura celula de combustibil poate furniza doar o tensiune de 1volt. Pentru a obtine tensiuni mai mari trebuie legate n serie mai multe celule, iar pentru curenti mai maritrebuie legate mai multe celule n paralel. Astfel se obtin panouri cu celule.

La arderea combustibilului, energia sa se elibereaza prin caldura reactiei. ntr-o celula de combustibilreactioneaza hidrogenul cu oxigenul, pe un mol de hidrogen se elibereaza o cantitate de energie de 286kJ .Aceasta valoare este entalpia reactiei H sau, la presiune constanta, este numita putere calorifica.

La temperaturi mici reaciile menionate sunt foarte lente, mai ales cea de reducere a oxigenului.Pentru intensificarea reaciilor, n componena celor doi electrozi trebuie s intre si un catalizator, uzual pebaz de platin. Teoretic, pila de combustie continu s produc curent att timp ct combustibilul si

oxidantul alimenteaz cei doi electrozi. In realitate, degradarea elementelor pilei (electrolit, electrozi,catalizator si altele) limiteaz durata de funcionare a pilei.Spre exemplu, electroliii de tip polimeri solizi sau soluii apoase pot fi utilizai numai pentru pile

care funcioneaz la temperaturi sub 200 C, deorece la temperaturi mai mari se degradeaz rapid. Electroziisunt, de asemenea, supusi degradrii si otrvirii.

Degradarea anodului const n reducerea sprafeei poroase si a gradului de dispersie a catalizatorului,asociate cu diminuarea gradului de ionizare a hidrogenului.

In consecinta, pentru a prelungi viata celulei de combustie, s-au adoptat diferite tipuri de electroliti,astfel pilele de combustie s-au diversificat in mai multe tipuri, functie de materialul electrolitului.


5/11

2.2 TIPURI DE CELULE DE COMBUSTIE

2.2.1 Celula de combustibil cu acid fosforic (PAFC)

Temperatura de lucru de 130-200C face ideala folosirea celulei de combusibil cu acid fosforic laproducerea stationara de energie n centrale termice mici de blocuri.

Primele instalatii comerciale sunt deja pe piata si servesc la alimentarea blocurilor sau a fabricilor

mici cu caldura si curent electric. Se folosesc celule de combustibil cu acid fosforic mpreuna cu hidrogen.Cu ajutorul unui convertor se poate utiliza gaz sau metanol.

Caracteristici:

se face schimb de ioni de hidrogen, deci membrana trebuie sa fie permanent umeda; ca electrolit se foloseste acid fosforic lichid; instalatiile sunt sensibile la monoxidul de carbon, ceea ce implica curatarea gazului din proces; temperatura de lucru: 130-200 C; puterea: 50-500 W; randamentul: 48-60 %; se folosesc la centrale termice de bloc.

2.2.2 Celula de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

Pilele de combustie cu carbonat lichid (topit) au electrolitul compus dintr-o combinatie de carbonatialcalini (Li, Na, K) ce sunt retinuti intr-o matrice ceramica de LiAlO 2, temperatura de functionare fiindcuprinsa intre 600 si 700 C. Insa pentru o asa temperatura de functionare ridicata nu se folosesc catalizatoridin metale rare.

Temperatura nalta de lucru de 650 C, faciliteaza pe lnga producerea curentului electric si caldurii,si producerea de abur. Din cauza temperaturii ridicate, n celula poate avea loc conversia interna a gazului nhidrogen si bioxid de carbon. Un convertor extern nu este necesar. Temperaturile nalte si sarurile lichide aleelectrolitului ataca materialul.

Caracteristici:

se pot folosi doar gaze de ardere continnd carbon, hidrogenul pur nu poate fi folosit; o problema o constituie dizolvarea lenta a catodului n electrolit; se cauta materiale mai rezistente; temperatura de lucru: 650 C; exista echipamente care dezvolta 250 kW, iar altele de 2,2 MW se dezvolta n prezent; randamentul: 48-60 %; se folosesc la centrale termice de bloc.

2.2.3 Celula de combustibil cu oxid ceramic (SOFC)

Celula de combustibil cu oxid ceramic are temperatura de lucru cea mai ridicata, 800-1000 C, si va

fi folosita n centralele termice industriale. Se pot dezvolta si sisteme mai mici pentru case. Pentru acest tipse studiaza si o forma tubara. Celula functioneaza cu hidrogen, care datorita temperaturilor ridicate poate fiobtinut din gaz metan, printr-un proces intern.

In interiorul electrolitului ceramic din zirconiu imbunatatit se schimba ioni de oxigen , in figura2.2.3.1 este prezentat principiul de functionare al unei celule de combustibil cu oxid ceramic ( SOFC ).


6/11

FIGURA 2.2.3.1

Caracteristici:

se schimba ioni de oxigen ntr-un electrolit ceramic din zirconiu mbunatatit; este necesara gasirea unor electroliti mai subtiri, care sa functioneze la temperaturi mai mici; puterea: 1-2,5 MW; se folosesc ndeosebi n centrale termice.

2.2.4 Celula de combustibil alcalina (AFC)

Pilele de combustie alcaline folosesc o concentratie de KOH (85%) ca si electrolit pentrufunctionarea la o temperatura ridicata (250 C) si mai putin concentrata (35-50%) pentru functionarea la otemperatura mai scazuta (


7/11

Caracteristici:

se schimba ioni pozitivi de hidrogen, deci membrana trebuie sa fie permanent umeda; instalatiile sunt sensibile la monoxidul de carbon, ceea ce implica curatarea gazului din proces; temperatura de lucru: 0-80 C; puterea pna la 250 kW; randamentul cu hidrogen: 60%;

randamentul cu metan: 40%; se utilizeaza la alimentarea cu curent electric, n domeniul automobilelor, la centralele termice.

2.2.6 Celula de combustibil cu metanol direct (DMFC)

Metanolul este lichid, deci poate fi utilizat usor. Functioneaza fara un convertor. Electrolitul este omembrana, iar temperatura de lucru 60-130 C. O companie germana a introdus o celula cu combustibil"portabila" ce utilizeaza tehnologia direct methanol fuel cell, fara a implica grelele componente mecaniceasociate in general cu generarea de electricitate.

Acestea utilizeaza un cartus reincarcabil cu metanol lichid si poate fi purtat intr-un buzunar pentru aalimenta bateriile. Acesta functioneaza silentios atat in pozitie verticala cat si orizontala . Astfel se estimeazaca unitatea ar putea reduce cu pana la 70% greutatea bateriilor.

Caracteristici:

se schimba ioni pozitivi de hidrogen; temperatura de lucru: 60-130 C; se utilizeaza la aparate mici.

In tabelul 2.2.6.1 se poate observa diferentele intre tipurile de pile de combustie, acestea fiinddiferentiate prin electrolit, temperatura de operare si reactiile electrochimice implicate.

TABEL 2.2.6.1Tipuri pile de combustie


8/11

2.3. UTILIZAREA PILELOR DE COMBUSTIE

Avnd n vedere faptul c celula de combustie converteste combustibilul direct n electricitate, eaeste, prin definitie, o tehnologie pentru vehiculele hibrid-electrice. Se asteapt ca randamentul conversieicombustibil energie sa fie de circa 50% n domeniul motoarelor pentru autovehicule.

In mod curent, insa, celulele de combustie sunt foarte scumpe deoarece ele nu se realizeaz n

productie de masa, iar infrastructura pentru realimentarea autovehiculelor cu hidrogen nu este nc largrspndit. Un autovehicul cu celule de combustie poate sau s transporte propria rezerv de hidrogen ntr-unrezervor sub presiune, sau s genereze hidrogenul pe msura necesarului, ntr-un reactor chimic - reformator.Motorul cu hidrogen este echipat cu baterii cu nichel-cadmiu care ofer cele mai bune performante n ceea cepriveste protectia mediului si capacitatea de stocare a energiei pe unitatea de volum.

Bateria cu nichel-cadmiu este format din trei celule separate bine protejate, iar vehiculul va putea scontinue s functioneze dac una din cele trei celule se defecteaz. O caracteristica constructiv aautovehiculului cu motor cu hidrogen este integrarea celulei de combustie cu tehnologia de electronizaresistemic a functionrii autovehiculului si motorului, care va nlocui sistemele anterioare predominantmecanice de control al directiei, frnrii, accelerrii etc., rezultnd cstig de spatiu n compartimentul motor,performante sporite, ce pot fi programate prin software.

Firma General Motors, identificnd aceste noi oportunitti, a expus n septembrie 2002, la ExpozitiaAuto de la Paris, un autovehicul care reprezint noul concept denumit de ei Autonomy. In Europa, Mercedesa anuntat c a cheltuit peste 20 milioane pentru dezvoltarea tehnologiei de automobile bazate pe celule decombustie cu hidrogen, depunnd nu mai putin de 200 de brevete.

O celul de combustie converteste aproximativ 50-60% din energia hidrogenului n energie electric,producnd ca produs secundar numai apa fierbinte, la o temperatura de circa 250-300 C, considerat ca otemperatur ideal pentru nclzirea cldirilor. Fiecare vehicul dotat cu celule de combustie ar putea deveni ocentral electric mobil de circa 30-40 kW. ntruct vehiculul este parcat aproximativ 90-95% din timp nspatii locuite, el ar putea fi racordat la reteaua cldirii, pentru a furniza energie electrica n retea.

Producerea energiei electrice prin celule de combustie si folosirea apei pentru nclzirea cldirilor ar putea deveni att de ieftine nct ar putea concura cu energia produsa n termocentrale sau n centralenucleare. Firma european Vaillant mpreun cu firma american Plug Power (specializat n productia de

celule de combustie) a obtinut n 2001 certificarea construirii de centrale de nclzire bazate pe celule decombustie. Mini-centrala termic de dimensiunile unui frigider produce 4 kWh electrici si 9 kWh echivalentide energie termic.

Preteniile asupra celulei de combustibil sunt deosebit de mari, deoarece la volum mic ele furnizeaz oputere de peste 50 kW i trebuie s garanteze un timp de funcionare ndelungat.

Ele sunt alimentate n mare msur cu hidrogen sub presiune. Hidrogenul va fi comprimat pn la 700bar i depozitat n rezervoare sigure. Conceptele de propulsie cu hidrogen lichid sau producerea ad-hoc ahidrogenului au fost realizate cu succes. Ca tip de celul de combustibil se folosete PEFC. Celulele decombustibil sunt folosite i ca baterii n aparate mici i la productori portabili de energie de pn la 1 kW.Sunt o alternativ eficient a acumulatorilor. n comparaie cu bateriile, ele ofer un timp mai mare deutilizare precum i un numr nelimitat de cicluri de ncrcare.

Cele mai mari avantaje sunt greutatea redus i puterea mare de acumulare. Cele mai frecvent utilizate

celule de combustibil sunt PEFC i DMFC. Domeniile de utilizare sunt aparate de comunicare, lanterne,telefoane mobile, laptop i aparate portabile de producere a energiei electrice.

Compania Angstrom Power si porducatorul de telefoane Motorola au inceput o colaborare al careiscop este crearea unui prototip de telefon mobil ce functioneaza cu pile de combustie pe baza de hidrogen.

Grupul Renault-Nissan a anuntat prezentarea protoripului Scenic ZEV H2 care este propulsat cuajutorul pilei de combustie. Acesta este bazat pe platforma lui Grand Scenic, iar pila de combustie estefurnizata de Nissan, impreuna cu rezervoarele de hidrogen si acumlatoarele litiu-ion. Componentele au fostmontate in podeaua masinii, habitaclul fiind in continuare mai mult decat incapator pentru cinci persoane.ZEV H2 va mai fi prezentat in cadrul unor roadshow-uri, impreuna cu o versiune de Nissan X-Trail cefoloseste aceeasi tehnologie si care este deja testat si pe drumurile publice.

Desigur aplicatiile sunt multiple si fr pretentia exhaustivittii sau a detalierii, enumerm doarcteva dintre ele: programul spatial, domeniul militar, sisteme de stocare a energiei, generarea de energieelectric si de cldur n sisteme energetice stationare decentralizate, surse de energie portabile etc.


9/11

3. CONSIDERENTE CU PRIVIRE LA RANDAMENTUL UTILIZRII HIDROENULUIDREPT COMBUSTIBIL

Asa cum au fost prezentat anterior, hidrogenul este un combustibil ideal, care se gaseste dinabundenta, nu polueaza, iar toti compusii reactiei pot fi utili. Totusi, numerosi experti semnaleaza sidemonsteaza, cu ajutorul cifrelor, ca o economie bazata de hidrogen nu poate fi dect una ineficienta.

Aceasta afirmatie ne surprinde. Dar, mai apoi, dupa o analiza a cifrelor, ne dam dat seama ca, n bunamasura, expertii au dreptate.

In primul rand, trebuie sa tinem seama, nainte de toate, de faptul ca, n ciuda abundenteihidrogenului n Univers, pe Terra l gasim ca parte a unor compusi chimici din care trebuie sa-l extragem,consumnd energie. De aceea nu trebuie sa vedem hidrogenul ca pe o sursa, ci, mai degraba, ca pe unpurtator de energie, asemeni apei calde folosite pentru ncalzirea locuintelor.

n prezent exista doua cai de producere industriala a hidrogenului. Prima, cea mai cunoscuta, esteelectroliza apei (H20 = H2 + O2 ). Dar sa ncercam sa vedem altfel ecuatia de mai sus. Sa luam n calculenergia electrica folosita pentru electroliza si energia care poate fi extrasa din hidrogenul rezultat. n acestcaz vom avea:

130 UE (energie consumata) = 100 UE (energie utila) + 30 UE (energie pierduta)

Altfel spus, randamentul energetic al electrolizei este de circa 77%.Mai exista o cale de producere a hidrogenului, una chimica. Reactia este urmatoare: CH4 + 2H2O +caldura = 4H2 + CO2 .n unitati de energie vom avea:

110 UE (energie consumata) = 100 UE (energie utila) + 10 UE (energie pierduta)n acest caz, randamentul este de circa 90%. Privind numai aceasta cifra ne-am putea declara

multumiti cu procedeul chimic de obtinere a hidrogenului, numai ca trebuie sa fim ceva mai atenti. Reactiachimica scrisa mai sus implica producerea de mari cantitati de CO2, care va contribui la cresterea efectului desera. Hidrogenul nu poate fi folosit ca atare, el este produs n instalatii specializate si, mai apoi, trebuietransportat catre locul de utilizare. Pentru a l putea transporta eficient avem doua solutii principale:comprimarea si lichefierea.

Pentru a comprima hidrogenul este nevoie sa consumam lucru mecanic. n cazul comprimarii pna la200 bar trebuie sa consumam o energie echivalenta cu 7,2% din energia hidrogenului pe care l comprimam,

iar n cazul comprimarii pna la 800 bar vom consuma circa 10%. Considernd 100 UE (energia continuta dehidrogen la un volum dat) din care vom scadea energia consumata pentru comprimare (7,2 UE, respectiv 10UE) vom vedea ca randamentul comprimarii este cuprins ntre 92,8% si 90%.

n cazul lichefierii, consumul de energie este evident mai mare. Pe lnga comprimare, este nevoie saaducem hidrogenul la temperatura la care devine lichid. Pentru lichefiere se consuma circa 35% din energiacontinuta de hidrogen. Randamentul va fi de aproximativ 65%.

Exista mai multe probleme legate de transportul hidrogenului. Evident, este consumata energie, lacare vor trebui adaugate pierderile. Expertul Ulf Bossel face o analiza detaliata a tuturor problemelor legatede transportul hidrogenului n The future of the hydrogen economy: bright or bleak? (Viitorul economieibazate pe hidrogen: stralucitor sau ntunecat?). Rezultatul final afirma ca din 100 UE disponibile vom aveaca energie utila (dupa ce scadem energia consumata pentru transport si pierderile) numai 80% (n cazulhidrogenului comprimat) sau 90% (n cazul hidrogenului lichid).

Cu unele exceptii (de exemplu, motoarele racheta) hidrogenul nu poate fi folosit direct pentru aproduce energie. El trebuie sa fie convertit n energie electrica. Pentru aceasta conversie sunt utilizate pilelecu combustie n care prin combinarea oxigenului cu hidrogenul rezulta apa, plus caldura, plus electricitate.Randamentul pilelor de combustie este de circa 50%. (afirmatie demonstrata in lucrarea Hidrogenul uncombustibil al viitorului, autor: Robert Pecsi, UTCB, pag. 5-6)

Asadar, daca tinem seama de toate pierderile ce apar de la productia hidrogenului pna la lucrulmecanic util generat de el vom avea un randament de 23% (prin filiera hidrogenului comprimat) sau de 19%(prin filiera hidrogenului lichid). Comparand aceasta valoare cu randamentul de 69% pe care l-am obtinedaca am folosi energia electrica direct pentru obtinerea lucrului mecanic util, am observa inutilitatea folosiriihidrogenului.

Totusi, de ce merit atunci studiat dezvoltarea celulelor de combustie si a hidrogenului ca uncombustibil al viitorului? Care ar fi metodele prin care utilizarea hidrogenului ar putea deveni eficient sicare ar fi avantajele acestei utilizri?


10/11

Una dintre posibilitti este obtinerea hidrogenului pe baza energiilor neconventionale, de exemplu prinalimentarea procesului de electroliz, de sintez a hidrogenului de la celule solare, de la sisteme de generarea electricittii pe baza energiei eoliene.

Astfel investitia este doar cea initial, n infrastructura de generare si n cea de transport ahidrogenului sintetizat. Avantajul pe care l constituie n acest caz utilizarea hidrogenului, inserarea n procesa celor dou reactii a celeia de electroliz pentru sinteza hidrogenului si a celeia din celula de combustie deardere a hidrogenului provine numai din faptul c hidrogenul poate fi transportat. Dac celulele solare si

sistemele eoliene sunt fixe si nu permit n sine stocarea energiei produse, introducerea n proces ahidrogenului face posibil producerea si folosirea energiilor neconventionale tot timpul ct acestea suntdisponibile, mbutelierea hidrogenului sintetizat prin electroliz si apoi folosirea sa n alte prti, de ce nuchiar n vehicule, utilaje mobile.

Dac lum exemplul unui vehicul si presupunem c instalatia de stocare a hidrogenului maiintroduce o reducere a randamentului cu 10%, ajungndu-se la 30%, totusi putem concluziona c din 12 orede generare se obtine energie necesar pentru 4 ore de ardere a hidrogenului n celule de combustie. Desiguracesta este un calcul aproximativ care presupune c instalatia de generare a hidrogenului si cea de ardere, deutilizare a energiei electrice produse de celula de combustie au aceeasi capacitate. Dar, evident c n cazulutilizrii energiilor neconventionale pentru sinteza hidrogenului prin electroliz, numai pretul echipamentelorne limiteaz n dimensionarea acestui sistem de fabricatie a hidrogenului.

n ceea ce priveste obtinerea hidrogenului folosind sursele de energii neconventionale, trebuieamintit faptul c un grup de cercettori americani de la Pennsylvania State University a creat un prototip decelule solare capabile s separe hidrogenul din ap, ntr-un proces ce l imita pe cel de fotosintez.Fotosinteza este procesul natural fundamental de capturare a energiei solare si folosirea acesteia pentru asepara oxigenul din ap si din dioxidul de carbon din aer. Pe lng oxigen, n urma fotosintezei rezult sihidrogen, care apoi este combinat pentru obtinerea glucozei, esentiala n hrana plantelor. Acest prototipfunctioneaz ca un tip de celul solar Grtzel sau celul pe baz de pigmenti, ce foloseste pigmenti n loc desemiconductori pentru transformarea energiei solare in energie electric. Diferenta const n faptul c n noultip de celul solar nu se genereaz o diferent de potential electric, ci electronii sunt ndeprtati de pigmentsi introdusi ntr-un catalizator, unde sunt folositi pentru a descompune moleculele de ap n ioni de oxigen sihidrogen, ntr-o reactie similara cu cea a fotosintezei. Solutia cercettorilor conduse de Thomas Mallouk siW. Justin Youngblood a fost crearea unui complex de molecule realizat din molecule de oxid de iridiu pe

post de catalizator central, nconjurate de molecule de pigment portocaliu-rosu, culoare aleas datoritcapacittii de a absorbi lumina cu lungimea de und ce corespunde culorii albastre, care are cea mai marecantitate de energie. Un astfel de complex de molecule, cu diametru de 2 nm, are un raport de aproximativjumtate molecule de catalizator si jumtate molecule de pigment. Moleculele de ap nvelesc acest complexde molecule, iar atunci cnd acesta absoarbe lumina solar, energia excit electronii din pigment, care,datorit prezentei catalizatorului, sunt ndeprtati de pigment, evitnd recombinarea si ducnd, cu ajutorulcatalizatorului, la descompunerea apei n hidrogen si oxigen.

Procesul este unul foarte rapid, fiecare atom de iridiu de suprafat trecnd prin reactia de oxidare aapei de aproximativ 50 de ori pe secund, adic de aproape 1000 de ori mai rapid dect cei mai bunicatalizatori sintetici existenti si foarte aproape de rata obtinut n procesul natural de fotosintez. Cercettoriiau impregnat un electrod din oxid de titan cu complexul catalitic descris mai sus, acesta fiind folosit pe postde anod si au folosit un catod de platin. Electrozii sunt scufundati intr-o solutie srat, dar separati unul de

cellalt pentru a evita problema recombinrii dintre oxigen si hidrogen. Pentru ca sistemul astfel rezultat sfunctioneze, lumina solar trebuie s ajung doar la anod. Eficienta acestui tip de celul este deocamdatsczuta, de aproape 0,3%, dar ea va putea fi mbunttit peste cea a procesului natural, ajungnd pana la10% sau, chiar la 15%, comparabil cu cea a celulelor solare de electricitate.

4. CONCLUZII

Desi tehnologiile de conversie a hidrogenului au fost dezvoltate si demonstrate, hidrogenul nu estefolosit ca si combustibil pe scara larga, deoarece acestea trebuie insotite si de tehnologii de producere,stocare, transport si distributie la fel de viabile. Este posibil ca in viitor sa se gaseasca tehnologii care vorputea fi mai bune, mai ieftine, mai eficiente si mai potrivite pentru sistemul energetic mondial, dar in prezentun sistem energetic mondial bazat pe hidrogen ar fi o solutie coerenta la problemele globale legate de mediu,energie si economie.


11/11

ALTERNATIVE SOLUTIONS FOR ENERGY PRODUCTIONFUEL CELLS

AbstractThe paper presents fuel cells and debate whether or not they can be considered the fuel of

the future.

Bibliografie

1. Giurca Ioan .a.,Pilele de combustie. Conferina tiina Modern i Energia, Ediia a XXIII-a, Cluj-Napoca, 2004, pagina 147-152. ISBN: 973-656-660-9;

2. Ioan Stefanescu, Eugen Vitan, Cercetari si dezvoltari privind realizarea primului sistem integrat demostrativbazat pe celule de combustibil cu hidrogen Solutie tehnologica in secolul hidrogenului. Conferinta Stiinta

Moderna si Energia, Cluj-Napoca, 2003, pagina 67,68.3. Gh. Badea, Anca Morariu, Analiza comparativa a retelelor de transport a gazelor naturale si hidrogenului.

Conferinta Stiinta Moderna si Energia, Cluj-Napoca, 2001, pagina 35-40.4. Gh. Badea, Adriana Chicinas, Hidrogenul solar, arzatoarele catalitice si reconversia sistemelor de distributie

a gazelor naturale. Conferinta Stiinta Moderna si Energia, Cluj-Napoca, 2001, pagina 49 55..5. www.enaa.or.jp/WE-NET/contents_e.html6. instal.utcb.ro/conferinta_2010/articole/pecsi_2_2010.pdf7. www.scribd.com/doc/25264795/Hidrogenul-Este-o-Speranta8. www.energy-consultancy.eu/energy_consultancy/_rofc.htm9. www.stiintasitehnica.ro/index.php?menu=8&id=61610. www.referateok.ro/?x=referat&id_p=74911. www.icsi.ro/proiecte/ceex/189/romana/newsletter1.pdf
http://www.enaa.or.jp/WE-NET/contents_e.htmlhttp://www.energy-consultancy.eu/energy_consultancy/_rofc.htmhttp://www.stiintasitehnica.ro/index.php?menu=8&id=616http://www.referateok.ro/?x=referat&id_p=749http://www.enaa.or.jp/WE-NET/contents_e.htmlhttp://www.energy-consultancy.eu/energy_consultancy/_rofc.htmhttp://www.stiintasitehnica.ro/index.php?menu=8&id=616http://www.referateok.ro/?x=referat&id_p=749

Referat Expertiza - Pile de Combustie

Documents

Transcript of Referat Expertiza - Pile de Combustie