Περιγραφή Κελιού Καυσίµου (I) Στην προσπάθεια να δώσουµε ένα κατανοητό και κατά το δυνατόν σαφή ορισµό για το τι είναι τα κελιά καυσίµου, θα µπορούσαµε να πούµε ότι: Τα κελιά καυσίµου είναι ηλεκτροχηµικές διατάξεις που µετατρέπουν την χηµική ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική και κάποιο ποσοστό της σε θερµότητα. Ένα Κελί Καυσίµου Υδρογόνου είναι µια συσκευή µετατροπής ηλεκτροχηµικής ενέργειας, 2 µε 3 φορές περισσότερο αποδοτικό από µία µηχανή εσωτερικής καύσης που µετατρέπει καύσιµο σε ισχύ. Ένα Κελί Καυσίµου παράγει ηλεκτρισµό, νερό και θερµότητα χρησιµοποιώντας καύσιµο και οξυγόνο του αέρα. Το µόνο απόβλητο όταν χρησιµοποιείται ως καύσιµο το υδρογόνο είναι το νερό. Όταν το υδρογόνο ρέει στο Κελί Καυσίµου στην πλευρά της ανόδου, ένας πλατινένιος καταλύτης διευκολύνει την διάσπαση του αερίου υδρογόνου σε ηλεκτρόνια και πρωτόνια (ιόντα υδρογόνου). Τα ιόντα υδρογόνου περνούν µέσα από την µεµβράνη (στο κέντρο του κελιού) και ξανά µε την βοήθεια του πλατινένιου καταλύτη συνενώνεται µε το οξυγόνο και τα ηλεκτρόνια στην πλευρά της καθόδου παράγοντας νερό. Τα ηλεκτρόνια που δεν µπορούν να περάσουν µέσα από την µεµβράνη, ρέουν από την άνοδο στην κάθοδο διαµέσου ενός εξωτερικού κυκλώµατος που περιέχει ένα ηλεκτροκινητήρα ή άλλο ηλεκτρικό φορτίο, το οποίο καταναλώνει την παραγόµενη ενέργεια από την κελί.
Περιγραφή Κελιού Καυσίµου (II) Τα Κελιά Καυσίµου έχουν ένα αριθµό πλεονεκτηµάτων πέραν του συµβατικού εξοπλισµού παραγωγής ενέργειας τα οποία είναι: υψηλή αποδοτικότητα, χαµηλές εκποµπές, ευκαµψία τοποθέτησης, αξιοπιστία, χαµηλή συντήρηση, εξαιρετική απόδοση φόρτωσης των εξαρτηµάτων, εύκολη συναρµολόγηση και αποσυναρµολόγηση. Λόγω των υψηλότερων αποδόσεων και των χαµηλότερων θερµοκρασιών οξείδωσης του καυσίµου, τα Κελιά Καυσίµου εκπέµπουν λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα και οξείδια του αζώτου ανά κιλοβάτ παραγόµενης ισχύος. Και από την στιγµή που τα Κελιά Καυσίµου δεν έχουν κινούµενα µέρη (εξαιρουµένων των αντλιών, των ανεµιστήρων, και των µετασχηµατιστών οι οποίοι είναι ένα απαραίτητο τµήµα οποιουδήποτε συστήµατος παραγωγής ισχύος), ο θόρυβος και οι δονήσεις πρακτικώς δεν υπάρχουν. Αυτό τα κάνει πιο προσιτά για τοποθέτηση σε αστικές και προαστιακές περιοχές. Η έλλειψη κινούµενων µερών συντελεί επίσης σε υψηλή αξιοπιστία. Ένα άλλο πλεονέκτηµα των Κελιών Καυσίµου, είναι ότι η αποδοτικότητα τους αυξάνεται σε καταστάσεις φόρτωσης των εξαρτηµάτων, αντίθετα µε τις τουρµπίνες αερίου και ατµού, ανεµιστήρες και συµπιεστές. Τέλος, τα Κελιά Καυσίµου µπορούν να χρησιµο- ποιήσουν διαφορετικούς τύπους καυσίµου, όπως το φυσικό αέριο, το προπάνιο, τα αέρια των σκουπιδιών, τα αέρια των αναερόβιων αντιδράσεων, JP-8, το πετρέλαιο, τη νάφθα, την µεθανόλη, την αιθανόλη και το υδρογόνο. Αυτή η προσαρµοστικότητα εξασφαλίζει διαχρονικότητα και διαθεσιµότητα στα Κελιά Καυσίµου.
Περιγραφή Κελιού Καυσίµου (III) Τα κελιά καυσίµου αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια (την άνοδο και την κάθοδο) που διαχωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης είναι ένα ειδικευµένο πολυµερές ή άλλο υλικό, που επιτρέπει την διέλευση ιόντων αλλά δεν είναι πέρατος από ηλεκτρόνια. Το καύσιµο που περιέχει υδρογόνο, εισάγεται στην άνοδο, όπου τα ηλεκτρόνια του υδρογόνου απελευθερώνονται και κινούνται σε ένα εξωτερικό κύκλωµα παράγοντας ηλεκτρικό ρεύµα. Τα θετικά φορτισµένα ιόντα υδρογόνου διαπερνούν τον ηλεκτρολύτη και φτάνουν στην κάθοδο, όπου ενώνονται µε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και το οξυγόνο, δηµιουργώντας νερό, που αποτελεί το προϊόν της αντίδρασης. Προκειµένου να επιταχυνθεί η διαδικασία του ιονισµού του υδρογόνου χρησιµοποιείται καταλύτης υψηλής αγωγιµότητας στα ηλεκτρόδια, τα οποία είναι συνήθως από πλατίνα. Με χρήση καθαρού υδρογόνου ως καύσιµο, τα µόνα παράγωγα της διαδικασίας αυτής είναι ηλεκτρικό ρεύµα, καθαρό νερό και θερµότητα.
Περιγραφή Κελιού Καυσίµου (IV) Το συνολικό πάχος µιας κυψελίδας καυσίµου είναι περίπου 2.5 mm ενώ ο ηλεκτρολύτης έχει πάχος της τάξεως µερικών µm. Για να επιτευχθεί η επιθυµητή ισχύς, τα κελιά καυσίµου µπορούν να στοιβαχτούν το ένα δίπλα στο άλλο, µε την παρεµβολή πορώδους υλικού, που τα συνδέει ηλεκτρικά σε σειρά ενώ επιτρέπει την εύκολη πρόσβαση στα ηλεκτρόδια από το υδρογόνο και το οξυγόνο. Το επιθυµητό καύσιµο για τα κελιά καυσίµου είναι πάντοτε το καθαρό υδρογόνο, το οποίο µπορεί να παραχθεί και από κάποιο καύσιµο που είναι φορέας υδρογόνου, αφού υποστεί κατάλληλη επεξεργασία (αναµόρφωση) για την εξαγωγή του. Τέτοιοι φορείς είναι η αµµωνία, το φυσικό αέριο, παράγωγα του πετρελαίου, το υγρό προπάνιο και η βιοµάζα. Τα κελιά καυσίµου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνοντας υδρογόνο σαν καύσιµο το οποίο οξειδώνεται ηλεκτροχηµικά µε οξυγόνο, µε ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θερµότητας και νερού. Το κελί καυσίµου λειτουργεί σαν ένας χηµικός αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας, ο οποίος παράγει ηλεκτρική ενέργεια όσο τροφοδοτείται µε Η2 και Ο2.
Περιγραφή Κελιού Καυσίµου (V) Τα κελιά καυσίµου δεν ανήκουν στις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας αλλά είναι µια µέθοδος µετατροπής ενέργειας που είναι αποθηκευµένη µε τη µορφή καυσίµου (υδρογόνο, µεθάνιο, φυσικό αέριο κ.ά.) σε ηλεκτρισµό και θερµότητα. Αυτό γίνεται µε υψηλή απόδοση (40-80% ανάλογα µε τον τύπο της κυψελίδας) και µε µοναδική εκποµπή το καθαρό νερό (όταν το καύσιµο είναι αποκλειστικά υδρογόνο). Στην περίπτωση που το καύσιµο περιέχει άνθρακα, εκπέµπονται και αέρια βλαβερά για το περιβάλλον (π.χ. διοξείδιο του άνθρακα) αλλά σε πολύ µικρότερη ποσότητα από ότι µε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης αντίστοιχης ισχύος. Η επόµενη εικόνα παρουσιάζει τις ροές και τις αντιδράσεις σε ένα απλό κελί καυσίµου. Αντίθετα από τη συνηθισµένη καύση, το καύσιµο (υδρογόνο) και το οξειδωτικό (απλός αέρας) παραδίδονται στο κελί καυσίµου χωριστά. Τα ρεύµατα καυσίµου και οξειδωτικού χωρίζονται από ένα σύστηµα ηλεκτροδίων-ηλεκτρολυτών ηλεκτρολυτών. Τα καύσιµα προωθούνται στην άνοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) και ένα οξειδωτικό τροφοδοτείται στην κάθοδο (θετικό ηλεκτρόδιο). Οι ηλεκτροχηµικές αντιδράσεις οξείδωσης και µείωσης πραγµατοποιούνται στα ηλεκτρόδια για να παραγάγουν το ηλεκτρικό ρεύµα. Το αρχικό προϊόν των αντιδράσεων στα κελιά καυσίµων είναι νερό.
Περιγραφή Κελιού Καυσίµου (VI)
Περιγραφή Κελιού Καυσίµου (VI) Για να αποφύγουµε την σύγχυση των κελιών καυσίµου µε τις µπαταρίες, µια έννοια που κατά κάποιον τρόπο είναι γνωστή σε όλους, αξίζει εδώ να τονίσουµε µια ουσιώδη διαφορά τους. Ένα κελί καυσίµου είναι µια συσκευή συνεχούς µετατροπής ενέργειας, ενώµια µπαταρία είναι µια συσκευή αποθήκευσης ενέργειας και άρα περιορισµένης χρήσης. Αν και η συνολική χηµική αντίδραση που θα επιτελείται στο κελί της προηγούµενης εικόνας θα είναι απλά η καύση του Η2 από το Ο2 για παραγωγή νερού. H2 + ½ O2 H2O (2.1) Εκείνο που διακρίνει την παρούσα διεργασία από µια απλή καύση είναι ότι η παραπάνω αντίδραση επιτελείται κατά το ήµισυ -τρόπος του λέγειν- στο καθοδικό µέρος του κελιού και κατά το ήµισυ στο ανοδικό, υπό µορφή ηµιαντιδράσεων ηλεκτροχηµικής φύσης (αντιδράσεων µεταφοράς φορτίου), έτσι ώστε το συνολικό αποτέλεσµα, δηλαδή το άθροισµα των δύο ηµι-αντιδράσεων να δίνει την συνολική αντίδραση (2.1): Κάθοδος: ½ O2 + 2e- O 2- Άνοδος: O 2- + H2 H2O
Περιγραφή Κελιού Καυσίµου (VII) Ο ηλεκτρολύτης µπορεί να είναι ένα υγρό ή ένα στερεό και εκτός του ότι λειτουργεί ως µια ιοντική γέφυρα µεταξύ των δύο ηλεκτροδίων, της ανόδου και της καθόδου, από πρακτική άποψη διαδραµατίζει και τον ρόλο του διαχωριστή των αντιδρώντων στα δύο µέρη του κελιού και µονώνει ηλεκτρονιακά την άνοδο από την κάθοδο. εν είναι δηλαδή σε καµιά περίπτωση καλός ηλεκτρονιακός αγωγός. Στην περίπτωση που αναλύουµε ο ηλεκτρολύτης που επιλέχθηκε ως παράδειγµα είναι ζιρκονία (ΖrO2) σταθεροποιηµένη µε ίτρια (Υ2O3) ένας αγωγός ιόντων Ο 2-, που παίζει τον ρόλο της γέφυρας για την µεταφορά των ιόντων Ο 2 που σχηµατίζονται στην κάθοδο, προς την άνοδο όπου Θα συναντήσουν και θα µετατρέψουν το καύσιµο (Η2). Η µεταφορά αυτή ιόντων Ο 2 - είναι αυθόρµητη. Κινούσα δύναµη για αυτή τη µεταφορά είναι το διαφορετικό ηλεκτροχηµικό δυναµικό του Ο 2 - στις δύο διεπιφάνειες (καθοδική και ανοδική). Αυτή η προκύπτουσα, κατευθυνόµενη και αυθόρµητη κίνηση ιόντων θα γίνεται εσαεί εφόσον τα τµήµατα του κελιού τροφοδοτούνται συνεχώς µε καύσιµο και οξειδωτικό και εφόσον το εξωτερικό κύκλωµα είναι κλειστό µε κάποιο εξωτερικό φορτίο αντίστασης (Rex) ώστε να µπορεί να πραγµατοποιηθεί ο κύκλος του ηλεκτρονιακού φορτίου. Τονίζεται ότι στο εξωτερικό κύκλωµα θα ρέουν ηλεκτρόνια σε αντίθεση µε αυτό που συµβαίνει στο εσωτερικό του κελιού (στον στερεό ηλεκτρολύτη), όπου µετακινούνται ιόντα.
Σύγκριση µε την κλασική στοιχειοθεσία µετατροπής ενέργειας (I) Όπως περιγράψαµε παραπάνω ένα κελί καυσίµου µετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική. Ως γνωστόν η κλασική στοιχειοθεσία µετατροπής της χηµικής ενέργειας, που περικλείει ένα καύσιµο, σε ηλεκτρική γίνεται µε µια σειρά βηµάτων. Αρχικά απαιτείται η καύση του καυσίµου µε Ο2 η οποία θα αποδώσει την χηµική ενέργεια υπό µορφή θερµότητας. Κατόπιν αυτή η ενέργεια µε την χρήση θερµικών µηχανών (π.χ. τουρµπίνες), θα µετατραπεί σε µηχανική. Σηµειωτέον ότι µια τέτοια µετατροπή υπόκειται σε περιορισµούς απόδοσης τύπου Carnot που καθορίζονται από την διαφορά Τ1-T2 µεταξύ της διαθέσιµης θερµής και ψυχρής δεξαµενής: ε = (Τ1 Τ2)/Τ1 Οι περιορισµοί αυτοί υποβαθµίζουν τη απόδοση µετατροπής της θερµότητας σε µηχανική ενέργεια σε ένα επίπεδο του 20-40%. εδοµένου ότι η χρήση γεννητριών για την περαιτέρω µετατροπή της µηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική θα συνοδεύεται και αυτή από ένα ποσοστό απωλειών της τάξης του 10-20%, είναι επόµενο ότι µια κλασική στοιχειοθεσία µετατροπής της χηµικής ενέργειας σε ηλεκτρική θα αποδίδει τελικώς στα επίπεδα του 15-30%, συνήθως. Οι πλέον σύγχρονες, κλασικού τύπου, διατάξεις µετατροπής της χηµικής ενέργειας σε ηλεκτρική δεν ξεπερνούν το επίπεδο απόδοσης του 40%. Το κελί καυσίµου µη υποκείµενο στους περιορισµούς Carnot είναι ικανό να λειτουργήσει σε αποδώσεις που θα κυµαίνονται στο επίπεδο του 70% και πάνω.
Σύγκριση µε την κλασική στοιχειοθεσία µετατροπής ενέργειας (IΙ) Βέβαια το παραπάνω απαιτεί να έχουµε στην διάθεσή µας το προς χρήση καύσιµο που είναι συνήθως (µα όχι πάντα) το Η2 ένα ολοκληρωµένο εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας µε κελιά καυσίµου απαιτεί τον χηµικό µετασχηµατισµό των υδρογονανθράκων (που συνήθως διαθέτουµε σαν καύσιµα) σε υδρογόνο και CO ή CO2 (διεργασία αναµόρφωσης). Αν και έχουν αναπτυχθεί τεχνολογίες για την απευθείας (µέσα στον χώρο της ανόδου του κελιού) αναµόρφωση (την γνωστή µας εσωτερική αναµόρφωση, internal reforming), διάφορες άλλες διεργασίες όπως καθάρισµα του καύσιµου από θειούχες ενώσεις (καταστρέφουν τον καταλύτη της ανόδου και µολύνουν το περιβάλλον), µετατροπή του συνεχούς σε εναλλασσόµενο ρεύµα (κατάλληλο για µεταφορά) θα έχουν αναπόφευκτα µια κάποια µείωση της απόδοσης του κύκλου διεργασιών του εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
Εκποµπές ρύπων από σύγχρονους σταθµούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που ακολουθούν την κλασσική στοιχειοθεσία και από κελιά καυσίµου.
Πλεονεκτήµατα των κελιών καυσίµων (I) Τα κελιά καυσίµων έχουν διάφορα πλεονεκτήµατα πέρα από το συµβατικό παραγωγικό εξοπλισµό ενέργειας: Αξιοπιστία Χαµηλή λειτουργική δαπάνη. Η αποδοτικότητα του συστήµατος κελιών καυσίµων 200kW θα µειώσει τις λειτουργικές δαπάνες (ενεργειακός λογαριασµός) Παραγωγή σταθερής δύναµης. Παράγει τη δύναµη συνεχώς Καθαρές εκποµπές. Έναντι των παραδοσιακών εγκαταστάσεων παραγωγής ενέργειας καύσης: Αποβάλλει 40.000 000 λιγότερες λίβρες όξινης βροχής και αιθαλοµίχλης ετησίως. Μειώνει τις εκποµπές διοξειδίου του άνθρακα κατά 3,5 εκατοµµύριο λίβρες ετησίως Υψηλή αποδοτικότητα. Μετατρέπει 40 % των διαθέσιµων καυσίµων σε ηλεκτρική ενέργεια (80 % µε τη διατήρηση σταθερής θερµοκρασίας) έναντι της µετατροπής 20 % για τις παραδοσιακές εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας καύσης Επιλογή των καυσίµων. Αυτήν την περίοδο επεξεργάζεται το φυσικό αέριο, το προπάνιο, το µεθάνιο το βουτάνιο καθώς και το υδρογόνο Χαµηλό κόστος συντήρησης Μειώνει τις δαπάνες καυσίµων και συντηρεί τους φυσικούς πόρους ικανότητα εγκαταστάσεων
Πλεονεκτήµατα των κελιών καυσίµων (II) Λόγω των υψηλότερων αποδοτικοτήτων και των χαµηλότερων θερµοκρασιών οξείδωσης καυσίµων, τα κελιά καυσίµων εκπέµπουν τα λιγότερα οξείδια διοξειδίου του άνθρακα και αζώτου ανά kw της δύναµης που παράγεται. Και δεδοµένου ότι τα κελιά καυσίµων δεν έχουν κανένα κινούµενο µέρος (εκτός από τις αντλίες, τους ανεµιστήρες, και τους µετασχηµατιστές που είναι ένα απαραίτητο µέρος οποιασδήποτε δύναµης που παράγει το σύστηµα), ο θόρυβος και η δόνηση είναι σχεδόν ανύπαρκτοι. Ο θόρυβος από τις εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας κελιών καυσίµων είναι τόσο χαµηλός όπως 55 DB σε 90 πόδια (Appleby, 1993). Αυτό τους καθιστά ευκολότερους στην περιοχή στις αστικές ή προαστιακές θέσεις. Η έλλειψη κινούµενων µερών τα κάνει επίσης αξιόπιστα (όπως καταδεικνύεται επανειληµµένα από το διαστηµικό πρόγραµµα των ΗΠΑ και το τµήµα προγράµµατος κελιών αµυντικών καυσίµων) και η συντήρηση τους είναι χαµηλή. Ένα άλλο πλεονέκτηµα των κελιών καυσίµων είναι ότι η αποδοτικότητά τους αυξάνεται στους όρους µέρος-φορτίων, αντίθετα από το αέριο και τους στροβίλους ατµού, τους ανεµιστήρες, και τους συµπιεστές. Τέλος, τα κελιά καυσίµων µπορούν να χρησιµοποιήσουν πολλούς διαφορετικούς τύπους καυσίµων όπως το φυσικό αέριο, το προπάνιο, το αέριο υλικών οδόστρωσης, τα αεριωθούµενα καύσιµα JP-8, το πετρέλαιο, η µεθανόλη, και το υδρογόνο. Αυτή η µεταβλητότητα εξασφαλίζει ότι τα κελιά καυσίµων δεν θα γίνουν ξεπερασµένα οφειλόµενα στο απρόσιτο ορισµένων καυσίµων.
Μειονεκτήµατα των κελιών καυσίµων (II) Σύµφωνα µε έρευνα που δηµοσιεύτηκε στο περιοδικό Science, η χρήση του υδρογόνου ως πηγή ενέργειας τις επόµενες δεκαετίες ίσως βλάψει σηµαντικά το στρώµα του όζοντος. Η ερευνητική οµάδα του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνιας (CalTech) υποστηρίζει ότι το υδρογόνο που διαρρέει στο περιβάλλον θα ανεβαίνει πολύ γρήγορα στη στρατόσφαιρα -το υδρογόνο είναι το πιο ελαφρύ στοιχείο- όπου θα αντιδρά µε το οξυγόνο για το σχηµατισµό νερού. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσµα την ψύξη του χαµηλότερου τµήµατος της στρατόσφαιρας και τη διατάραξη της χηµείας του όζοντος γράφουν οι ερευνητές στο αµερικανικό επιστηµονικό περιοδικό. Εκτιµούν πως η µείωση της συγκέντρωσης του όζοντος στη στρατόσφαιρα θα µπορούσε να ανέλθει στο 8%. Ο κίνδυνος, σηµειώνουν οι επιστήµονες, δεν θα πρέπει να εµποδίσει τη µετάβαση στην οικονοµία του υδρογόνου, θα πρέπει όµως να ληφθεί υπόψη. Επίσης ένα ακόµα πρόβληµα για το οποίο πρέπει να βρεθεί λύση είναι η αποθήκευση και διανοµή του καυσίµου υδρογόνου. Σύµφωνα µε υπολογισµούς, η διαρροή υδρογόνου από τις µονάδες παραγωγής, αποθήκευσης και διανοµής του καυσίµου θα αντιστοιχεί στο 20% της ολικής ποσότητας υδρογόνου. Αυτό είναι ένα σηµαντικό πρόβληµα αν αναλογιστούµε το υψηλό κόστος παραγωγής του υδρογόνου, το οποίο θα πρέπει να ελαττωθεί έτσι ώστε τα κελιά καυσίµου να γίνουν ανταγωνιστικά στην ενεργειακή αγορά