Ogniwa wodorowe – działanie, zastosowania i wpływ na energetykę

Ogniwo wodorowe, nazywane też ogniwem paliwowym, zamienia energię chemiczną wodoru w prąd elektryczny bez spalania paliwa. W wyszukiwaniach pojawia się czasem jako “bateria wodorowa”. To określenie nieprecyzyjne: bateria magazynuje gotową energię, a ogniwo wytwarza ją na bieżąco, dopóki dostarcza się do niego paliwo. Technologia od kilku lat wraca do publicznej dyskusji za sprawą transportu ciężkiego i autobusów miejskich, gdzie liczy się długi zasięg i szybkie tankowanie.

Jak działa ogniwo wodorowe

Zasadę działania ogniwa wodorowego opisał w 1838 roku niemiecko-szwajcarski chemik Christian Friedrich Schönbein. Rok później Brytyjczyk William R. Grove zbudował pierwsze działające ogniwo. Technologia trafiła też do amerykańskiego programu kosmicznego – ogniwa paliwowe zasilały misję Gemini 5 i statki programu Apollo, mimo że koszt ich produkcji sięgał wtedy około 100 000 dolarów za kilowat. Barierę miniaturyzacji przełamano dopiero w 2005 roku, gdy firma Intelligent Energy zbudowała pierwszy na świecie motocykl na ogniwo paliwowe – model ENV.

W najpopularniejszym typie ogniwa, PEMFC, wodór doprowadzany jest w sposób ciągły do anody. Tam rozpada się na protony i elektrony. Elektrony są zmuszone do przepływu przez zewnętrzny obwód elektryczny – to właśnie ten ruch stanowi użyteczny prąd. Protony przechodzą przez cienką polimerową membranę do katody, gdzie łączą się z elektronami i tlenem. Powstaje woda, a przy okazji trochę ciepła. Elektrody wykonuje się zwykle z nawęglonego papieru z dodatkiem platyny, która pełni rolę katalizatora, a sama reakcja zachodzi w stosunkowo niskiej temperaturze 60-100°C, co daje ogniwu krótki czas rozruchu.

Rodzaje ogniw paliwowych

Nie każde ogniwo wodorowe działa identycznie. Typy różnią się temperaturą pracy, mocą i przeznaczeniem:

Sprawność ogniw wodorowych

Typowe ogniwo pracujące przy napięciu 0,7 V osiąga sprawność rzędu 50%. Ogniwa PEM sięgają w produkcji samej energii elektrycznej nawet 65%, a branżowe źródła mówią ogólnie o przedziale 50-60%. Znacznie więcej daje kogeneracja, czyli wykorzystanie także ciepła odpadowego. Wtedy sprawność całkowita systemu potrafi przekroczyć 80%, sięgając nawet 85%. Dla porównania: 1 kilogram wodoru pozwala wyprodukować około 16 kWh energii elektrycznej.

Magazynowanie wodoru

Wodór magazynuje się najczęściej w zbiornikach ciśnieniowych. Zbiorniki metalowe ze stali wytrzymują ciśnienie do 200 bar, aluminiowe do 175 bar. Zbiorniki kompozytowe, wykonane z włókna szklanego, aramidowego lub węglowego z metalowym wkładem, osiągają znacznie wyższe wartości – od ok. 250 bar do ponad 661 bar w przypadku butli z włókna węglowego pokrytego polimerem. Drugą drogą jest magazynowanie wodoru w postaci ciekłej. Wymaga to schłodzenia go do temperatury około -252,87°C. Ciekły wodór zajmuje mniejszą objętość niż gazowy, ale samo skraplanie pochłania sporo energii.

Ogniwa wodorowe w transporcie

W transporcie publicznym ogniwo wodorowe działa jak mini elektrownia zainstalowana na pokładzie pojazdu. Zasila silnik elektryczny w procesie, który można opisać jako odwróconą elektrolizę. Solaris Urbino 12 hydrogen, autobus napędzany w ten sposób, pokonuje na jednym tankowaniu aż 350 kilometrów, a jedynym produktem ubocznym jest woda.

Podobne przewagi widać w transporcie ciężkim. Volvo Trucks podaje, że 80 kilogramów wodoru wystarcza samochodowi ciężarowemu na przejechanie około 800 kilometrów. Stosunek energii do masy zbiornika wodoru przy ciśnieniu 700 bar jest przy tym dziesięciokrotnie wyższy niż w przypadku akumulatora, a samo tankowanie pojazdu wodorowego jest znacznie szybsze niż ładowanie baterii elektrycznej. Największą przeszkodą pozostaje jednak infrastruktura. Na całym świecie działa zaledwie około 337 stacji tankowania wodoru, co ogranicza praktyczne wykorzystanie tej technologii poza wybranymi trasami i flotami.

Ogniwa wodorowe poza transportem drogowym: kosmos i okręty podwodne

Poza autobusami i ciężarówkami ogniwa paliwowe napędzają też jednostki, w których liczy się cichy i bezspalinowy sposób wytwarzania prądu. W kosmosie posłużyły najpierw w programie Apollo, a potem w programie wahadłowców – zasilały statki w energię elektryczną, a produkowaną przy tym wodę wykorzystywano na pokładzie. Pod wodą pierwszą jednostką z ogniwem paliwowym był zwodowany w 1970 roku pojazd ratowniczy Deep Submergence Rescue Vehicle, zbudowany po katastrofie okrętu USS Thresher. Od lat 90. ogniwa typu PEM stały się elementem napędu niezależnego od powietrza atmosferycznego w konwencjonalnych okrętach podwodnych – niemieckie jednostki typu 212A (Niemcy, Włochy) i sprzedane między innymi Grecji typu 214 mogą dzięki nim pozostawać w zanurzeniu ponad dwa tygodnie bez wynurzania się po powietrze do silników Diesla, a jedynym produktem ubocznym reakcji jest, tak jak na lądzie, woda.

Zalety środowiskowe i miejsce w energetyce

Jedynymi produktami ubocznymi pracy ogniwa wodorowego są woda i ciepło, bez zanieczyszczeń i gazów cieplarnianych powstających bezpośrednio w pojeździe czy instalacji. W porównaniu z klasycznymi generatorami spalinowymi ogniwo paliwowe produkuje nawet 25 razy mniej zanieczyszczeń, a przy zasilaniu czystym wodorem ich ilość jest śladowa.

Sam wodór to też surowiec przemysłowy, niezależnie od zastosowań w ogniwach paliwowych. Wykorzystuje się go między innymi w:

• spawaniu plazmowym i metodą TIG,
• cięciu plazmowym,
• hutnictwie szkła,
• produkcji stali węglowych i półprzewodników,
• elektronice, jako czynnik redukujący.

Najczęściej zadawane pytania

Jakie są wady wodorowych ogniw paliwowych?

Największym ograniczeniem nie jest sama technologia, lecz infrastruktura. Na świecie działa zaledwie około 337 stacji tankowania wodoru, co znacznie utrudnia codzienne korzystanie z pojazdów wodorowych poza wyznaczonymi trasami i flotami transportowymi.

Ile energii daje 1 kg wodoru?

Z 1 kilograma wodoru można wyprodukować około 16 kWh energii elektrycznej. To jeden z powodów, dla których wodór bywa traktowany jako nośnik energii o wysokiej gęstości w przeliczeniu na masę.

Jakie są zastosowania wodoru?

Wodór napędza ogniwa paliwowe w transporcie, energetyce stacjonarnej i kogeneracji, a także w kosmosie i w okrętach podwodnych. Poza tym trafia też bezpośrednio do przemysłu: spawalnictwa, hutnictwa szkła, produkcji stali i półprzewodników oraz elektroniki, gdzie działa jako czynnik redukujący.

Jak działa napęd wodorowy w pojazdach?

Ogniwo paliwowe pełni funkcję mini elektrowni na pokładzie pojazdu. Przetwarza wodór na prąd, który zasila silnik elektryczny. Proces przypomina odwróconą elektrolizę wody, a jedynym produktem ubocznym jest para wodna. Widać to na przykładzie autobusów Solaris Urbino 12 hydrogen czy ciężarówek wodorowych Volvo.

Źródła:

• Wikipedia – Ogniwo paliwowe
• Zintegrowana Platforma Edukacyjna – Ogniwa paliwowe
• Dacpol – Wodorowe ogniwa paliwowe, najważniejsze informacje
• h2wielkopolska.pl – Jak działa ogniwo paliwowe?
• Solaris Bus – Jak działa ogniwo wodorowe?
• Volvo Trucks – Wodorowe ogniwa paliwowe, odpowiedzi na wszystkie pytania
• Wikipedia – Napęd niezależny od powietrza