Zakład Dydaktyki Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika (ZDF UMK) uczestniczy w europejskim projekcie dydaktycznym pt. FCHgo! Odkryj energię wodoru. 

Rozpoczynamy serię publikacji on-line przybliżających zagadnienie ogniw wodorowych i ich praktycznego wykorzystania. Tym razem proponujemy informator dla nauczycieli, przygotowany w ramach projektu. 

Projekt FCHgo uzyskał wsparcie Europejskiego programu badań I innowacji Horizon 2020 pod egidą Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU). Projekt koordynuje Universytet Modena Reggio Emilia we współpracy z InEuropa srl, Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften, Technical University of Denmark, Universytetem Mikołaja Kopernika i Steinbeis 2i GmbH.

Wodór i ogniwa paliwowe - jak, po co i dlaczego?

Prof. Hans U. Fuchs, Zurich, 2019

 

Drogi Czytelniku,

jest to raczej nietechniczny tekst dla nas wszystkich, którzy nie są inżynierami ani naukowcami. Przedstawia zarys tematu technologii wodoru i ogniw paliwowych. Zostało jednak uwzględnione kilka tematów technicznych, które przeniesiono do pól oznaczonych symbolem

• T

 

 

 

Wodór jako paliwo i ogniwa paliwowe mogą pewnego dnia zastąpić nasze obecne źródła i sposoby uzyskiwania energii. Perspektywa ta rodzi co najmniej trzy pytania: Jak działa takie urządzenie, do czego dokładnie użyjemy wodoru i ogniw paliwowych i dlaczego mielibyśmy chcieć wprowadzić nową technologię, jeśli stara dobrze nam służy i może służyć nam jeszcze przez długi czas?

 

Argumenty na rzecz technologii FCH

Wodór jest paliwem odnawialnym. Spalanie wodoru lub używanie go w ogniwach paliwowych wytwarza tylko wodę jako produkt uboczny. Wodór wykorzystywany w ogniwach jest potencjalnie bardzo wydajny.

 

 

Istnieją przynajmniej trzy argumenty przemawiające za technologią ogniw paliwowych i wodoru (FCH-T):

1. Obecnie stosowane paliwa są w większości nieodnawialne. Węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny zostały dawno temu odłożone w skorupie ziemskiej i po zużyciu już do niej nie wrócą.
2. Spalanie zwykłych paliw tworzy substancje, które szkodzą środowisku na kilka sposobów. Na przykład zanieczyszczają powietrze, którym oddychamy i wodę, którą pijemy. Co istotniejsze, dwutlenek węgla wytwarzany przez spalanie węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego sprawia, że ​​nasza planeta ociepla się w tempie, które nie będzie akceptowane przez przyszłe pokolenia - i nie powinno być już dla nas akceptowalne.
3. Z fizycznego i technicznego punktu widzenia spalanie paliw jest marnotrawstwem - wytwarzanie ciepła nie jest tym, co powinniśmy robić. Istnieją, przynajmniej teoretycznie, lepsze sposoby na wykorzystanie paliw z naukowego i inżynieryjnego punktu widzenia.

 

Wodór

Fizycznie wodór jest substancją prostą, taką jak woda lub powietrze, ale nie jest tak obfity na Ziemi; to jednak główny „materiał”, z którego zbudowane jest Słońce i gwiazdy. Na Ziemi, w warunkach normalnych, występuje jako gaz, podobnie jak niektóre inne substancje, takie jak azot, tlen i dwutlenek węgla, które są składnikami powietrza. Chemicznie wodór jest pierwiastkiem, podobnie jak tlen, hel lub żelazo. W rzeczywistości, jako gaz na Ziemi, wodór jest związkiem chemicznym: jego cząsteczki składają się z dwóch atomów wodoru. W chemii używamy symbolu H dla pierwiastka, który nazywamy wodorem; dlatego symbolem wodoru jest H2 (połączone dwa atomy H). Może służyć jako paliwo, co oznacza, że ​​reaguje chemicznie z tlenem, a więc wpływa na przebieg innych procesów, takich jak ciepło, elektryczność lub ruch. Innymi słowy, dostarcza energii do sterowania tymi procesami. Mówiąc jeszcze inaczej, wodór może być źródłem energii i jest środkiem jej magazynowania. Możemy również nazwać wodór nośnikiem energii: gdy otrzymujemy wodór, może on potencjalnie dostarczyć energii.

 

 

Technologia FCH ma potencjał, aby zaspokajać nasze energetyczne potrzeby. Wodór może być uzyskiwany w sposób ciągły z wykorzystaniem energii Słońca. Spalanie wodoru, a jeszcze lepiej stosowanie go w ogniwach paliwowych, wytwarza wodę jako „produkt uboczny”; nie ma udziału węgla, który prowadziłby do produkcji dwutlenku węgla.

Ponadto użycie paliwa w ogniwie paliwowym wcale nie oznacza, że jest ono spalane: nie ma tu ognia; nie jest ono używane do wytwarzania ciepła - energia dostarczana przez paliwo jest wykorzystywana do wspomagania procesów elektrycznych ogniwa (ogniwo paliwowe zasadniczo działa jak akumulator).

 

Ogniwa paliwowe

Ogniwo paliwowe to rodzaj maszyny. Jako taka nie różni się niczym od elektrycznej pompy wodnej, dynamo lub silnika spalinowego samochodu. Podobnie jak wszystkie te silniki, wykorzystuje dwa procesy, przy czym pierwszy z nich napędza drugi pożądany proces. Na przykład w elektrycznej pompie wody wykorzystujemy energię elektryczną do napędzania przepływu wody z miejsca niższego do wyższego. W ogniwie paliwowym proces chemiczny napędza proces elektryczny.   Ogniwo paliwowe wykorzystuje paliwo, takie jak wodór lub metan, pozwala mu reagować w reakcji chemicznej, a tym samym napędza proces elektryczny. W najbardziej podstawowym typie ogniwo paliwowe wykorzystuje wodór, który reaguje z tlenem, wytwarza wodę i napięcie elektryczne, które z kolei umożliwia „pompowanie” energii elektrycznej przez przewody i urządzenia. Jest to bardzo podobne do działania akumulatora, z tą różnicą, że w ogniwie paliwowym dostarczane są reagujące substancje, a produkty reakcji są usuwane w sposób ciągły.

 

Oczywiście technologia FCH jako taka nadal prowadzić może do produkcji niektórych szkodliwych substancji, a wytwarzanie wodoru i używanie go w ogniwach paliwowych nigdy nie będzie w 100% wydajne, pomimo pozornych obietnic teoretycznych. Jednak skutkiem nieefektywności FCH jest zasadniczo dodatkowe ciepło, nie stwarzające nadmiernego ryzyka dla naszej planety.

Poniżej chcemy odpowiedzieć na pytania postawione w tytule i opisać aspekty związane z nimi w bardziej szczegółowy sposób. Drugie z nich (FCH-T: po co?) jest dość proste: technologia FCH będzie wykorzystywana głównie w przypadkach, w których używamy dziś paliw do uzyskiwania energii. Odpowiedź na trzecie pytanie (FCH-T: dlaczego?) zajmie nam więcej czasu. Rozważając je, będziemy za to wzbogacani pewną wiedzą na temat procesów fizycznych i chemicznych oraz, co najważniejsze, lepszym zrozumieniem potencjału FCH-T dla zrównoważonej przyszłości energetycznej. Zanim jednak zaczniemy odpowiadać na te pytania, zaczynamy od pierwszego.

Technologia FCH: Jak?

System, który wykorzystuje wodór do pewnego celu, może wyglądać następująco (patrz ryc. 1). Po pierwsze, należy dostarczyć wodór. Bezpośrednim jego źródłem jest woda. W wyniku reakcji chemicznej woda przekształca się w dwa gazy: wodór i tlen; można tego dokonać przy użyciu elektryczności.

 

Wykorzystujemy światło słońca…

do bezpośredniego wytwarzania energii elektrycznej w panelach; jako żródło wiatru napędzającego turbiny wiatrowe; jako podstawę procesów hydrologicznych w elektrowniach wodnych.

 

Jeśli chcemy, aby Słońce wspomagało procesy generowania energii elektrycznej, możemy zbudować fotowoltaiczną elektrownię słoneczną. Możemy również wykorzystywać wiatr lub wodę przepływającą po powierzchni naszej planety do napędzania turbin wiatrowych lub wodnych, które następnie napędzają generatory elektryczne. Ponieważ na Ziemi przepływy wiatru i wody są powodowane przez światło słoneczne, energia wiatru i wody również pochodzi ze Słońca.

 

Gdy umożliwimy przepływ prądu przez lekko osoloną wodę, ulega ona reakcji chemicznej, która wytwarza wodór i tlen. Proces ten nazywa się elektrolizą. Tlen może być wprowadzany z powrotem do atmosfery; wodór można gromadzić i przechowywać przez pożądany okres.

Wodór można w stosownym momencie wprowadzić do ogniwa paliwowego, gdzie reakcja chemiczna, która go wytworzyła, jest odwracana – teraz woda jest uzyskiwana z wodoru i tlenu, który może być pobierany z powietrza. W rezultacie ogniwo paliwowe może zasilać niektóre urządzenia, podobnie jak się to dzieje w przypadku silnika elektrycznego z akumulatorem.

Urządzeniem zasilanym przez ogniwo może być domowa pompa ciepła. Działanie pompy opiera się na tym, że ciepło jest transportowane z miejsca, które jest stosunkowo zimne - takie jak ziemia poza domem - do cieplejszego miejsca - takiego jak woda w zbiorniku ciepłej wody lub powietrze w domu.

Energia elektryczna dostarczana przez wodór stosowany w ogniwach paliwowych może napędzać silniki ciężarówek, samochodów, pociągów, a nawet statków, rozświetlać miasta lub uruchamiać lodówki.

Możemy wytwarzać wodór tak długo, jak świeci Słońce, magazynować paliwo, przenosić je tam, gdzie będzie potrzebne i wprowadzać go do ogniw paliwowych, które dają nam odpowiednik generatora elektrycznego. Innymi słowy, pośrednio Słońce i wodór można wykorzystać do zasilania większości, jeśli nie wszystkich urządzeń i maszyn, z których korzystamy w życiu codziennym.

Technologia FCH: Po co?

Technologia ogniw paliwowych i wodoru (FCH-T) łączy dwa elementy, które niekoniecznie muszą być rozpatrywane razem: wykorzystanie wodoru jako paliwa i wykorzystanie paliw w ogniwach paliwowych do zasilania procesu elektrycznego. Jednak połączenie aspektów wodoru i ogniw paliwowych ma kilka ważnych zalet.

Wodór

Wodór to nie tylko paliwo; odgrywa ważną rolę jako substancja do produkcji innych chemikaliów i farmaceutyków. Tutaj interesuje nas jego rola jako paliwa. Tam, gdzie dziś używamy tradycyjnych paliw, takich jak węgiel, ropa naftowa lub gaz ziemny, możemy w przyszłości wykorzystywać wodór.

 

Ważne zastosowania paliw w dużej skali

Ogrzewanie budynków i ciepło technologiczne. Energia elektryczna z dużych elektrowni. Transport (lądowy, wodny, lotniczy).

 

Paliwa są używane do wielu zastosowań. Wyróżniają się trzy z nich: spalanie paliw do ogrzewania i uzyskania ciepła technologicznego dla przemysłu; spalanie paliw w elektrowniach; spalanie paliw w silnikach do transportu (silniki samochodowe lub silniki Diesla i turbiny gazowe stosowane w pociągach i na statkach). W pierwszym przypadku wykorzystujemy ciepło, w drugim potrzebujemy elektryczności, w trzecim wprawiamy obiekty w ruch.

We wszystkich trzech przypadkach paliwa są spalane. Ogólnie pierwszą rzeczą, która się dzieje, jest wytwarzanie ciepła. Do celów grzewczych można to uznać za dobre, ale nawet w tym zastosowaniu istnieją lepsze sposoby wykorzystania paliw. W drugim i trzecim przypadku warto zastanowić się, dlaczego musimy na etapie przejściowym uzyskać ciepło, aby dojść do elektryczności lub ruchu.

Ogniwa paliwowe

W tym miejscu na arenę wkraczają ogniwa paliwowe. Zamiast spalać, ogniwo wykorzystuje paliwo do bezpośredniego zasilania procesu elektrycznego, podobnie jak akumulator. Tam, gdzie energia elektryczna może być wykorzystana do zasilania innych procesów - zwłaszcza wprawiania w ruch - ogniwa paliwowe mogą zastąpić istniejącą technologię. Ogniwa paliwowe można wykorzystać do transportu i mogą one zasadniczo zastąpić elektrownie - ponieważ same są elektrowniami. Możemy nawet użyć ich do ogrzewania, wytwarzając ciepło elektrycznie. Nasze dzisiejsze metody nie tylko wyglądają na marnotrawstwo, to jest marnotrawstwo - możemy bowiem użyć energii elektrycznej do napędzania pomp ciepła i uzyskać znacznie więcej ciepła na jednostkę energii, niż spalając paliwo, takie jak wodór lub wytwarzając ciepło w grzejniku elektrycznym (przepuszczając prąd przez cienkie druty, które się nagrzewają).

Technologia FCH mogłaby potencjalnie zastąpić nasze obecne wykorzystanie paliw do ogrzewania, energii elektrycznej i transportu przez odnawialne, czystsze i bardziej wydajne procesy. Sprawdzimy teraz, dlaczego technologia ta prowadzi do czystszych i wydajniejszych procesów.

Technologia FCH: Dlaczego?

Na samym początku podaliśmy trzy główne powody, dla których moglibyśmy chcieć zamienić nasze wykorzystanie paliw w kierunku technologii FCH: wodór może być wytwarzany w procesach odnawialnych; stosowany jako paliwo, tworzy tylkko wodę jako product uboczny; stosowany w ogniwach paliwowych, może potencjalnie stworzyć bardziej efektywną energetycznie infrastrukturę.

Stawia nas wobec ważnego pytania: w jaki sposób technologia FCH ma osiągnąć wszystkie te cele? Czy możemy zrozumieć, dlaczego wodór byłby paliwem odnawialnym, dlaczego jest potencjalnie czysty i dlaczego może być stosowany w potencjalnie skuteczny sposób?

Aby odpowiedzieć na te pytania, musimy zagłębić się w naukę i inżynierię. Co ważne, poznanie tych aspektów nie musi być trudne - istnieją sposoby tworzenia opisów i wyjaśnień, które odwołują się do naszego codziennego doświadczenia i zrozumienia otaczającego nas świata. Narracje te wykorzystują naturalny język i obrazy, które nie muszą być formalne lub w inny sposób niedostępne dla większości z nas.

Chemia spalania paliw

Zacznijmy od chemicznych aspektów stosowania paliw. Dla uproszczenia rozważmy tylko dwa paliwa: wodór i metan. Wodór jest zwykle gazem, którego cząsteczki składają się z dwóch atomów wodoru. Metan składa się z atomów węgla i wodoru. Jest podstawowym składnikiem gazu ziemnego i jest wytwarzany w wielu procesach biologicznych (krowy „pierdzą” metanem!). Metan jest również silnym gazem cieplarnianym; zbyt duża jego zawartość w atmosferze ma silny wpływ na ocieplenie planety.

Kiedy pali się gaz, taki jak wodór lub metan, łączy się on z tlenem zwykle pobieranym z powietrza. Spalanie gazowego wodoru prowadzi do wytworzenia wody. Podczas spalania metanu powstaje woda i dwutlenek węgla. Tak więc, przynajmniej potencjalnie, spalanie wodoru jest „czyste”, podczas gdy spalanie metanu nie. (Należy jednak pamiętać, że jeśli otrzymujemy metan z produkcji biogazu, spalanie go i produkcja dwutlenku węgla nie stanowi problemu: dwutlenek węgla pierwotnie pochodzi z powietrza pobieranego przez rośliny. Tak więc biometan jest zasadniczo neutralny, jeśli chodzi o dwutlenek węgla.)

 

T    Spalanie wodoru i metanu

Cząsteczka wodoru składa się z dwóch atomów wodoru. Symbol H jest używany dla atomu, więc wodór w formie gazu jest oznaczony w chemii przez H2. Tlen w powietrzu składa się z dwóch atomów tlenu (O), więc ma symbol O2. Spalanie gazowego wodoru oznacza reakcję chemiczną z gazowym tlenem, który wytwarza wodę. Ponieważ woda składa się z dwóch części wodoru i jednej części tlenu (H2O), musimy zapewnić, aby dwie jednostki gazowego wodoru reagowały z jedną jednostką gazowego tlenu, wytwarzając dwie jednostki wody: 2 H2 + 1 O2 —> 2 H2O Z drugiej strony, spalanie metanu (CH4, gdzie symbol C oznacza węgiel) tworzy wodę i dwutlenek węgla (CO2): 1 CH4 + 2 O2 —> 2 H2O + 1 CO2 Tutaj widzimy źródło naszego problemu produkcji dwutlenku węgla z gazów cieplarnianych: jest to nieunikniony produkt uboczny spalania paliw glowodorowych, takich jak ropa naftowa i gaz ziemny. Jest on wytwarzany również przy spalaniu węgla.

Jednak sprawa nie jest tak prosta. Kiedy spalamy wodór w powietrzu, otrzymujemy inne produkty uboczne, ponieważ powietrze zawiera nie tylko tlen (który wraz z wodorem wytwarza wodę). W szczególności w wysokich temperaturach gazowy azot w powietrzu łączy się z tlenem, wytwarzając tlenki azotu (takie jak NO₂ i N₂O), które zanieczyszczają powietrze, którym oddychamy. W reakcji ze światłem słonecznym NO₂ (dwutlenek azotu) wytwarza ozon (O₃), który jest drażniący dla naszych płuc oraz zwierząt i roślin. Podtlenek azotu (N₂O) i ozon są również gazami cieplarnianymi.

Oto niektóre z powodów, dla których nie powinniśmy po prostu palić wodoru; nazwijmy to przyczynami chemicznymi. Później dowiemy się, że istnieje inny bardzo ważny fizyczny powód, dla którego nie pali się wodór: spalanie paliw wytwarza ciepło, a wytwarzanie ciepła nigdy nie jest dobrym rozwiązaniem dla wyzwań w energetyce. Powinniśmy raczej wykorzystywać paliwa w ogniwach paliwowych, zwłaszcza jeśli potrzebujemy energii elektrycznej do dalszych zastosowań.

Nośniki energii i napięcia

Ważnym warunkiem zrozumienia aspektów inżynierii energetycznej na naszej drodze do poznania technologii FCH jest zwrócenie uwagi, że światło, ciepło, elektryczność, czy ruch nie są energią; są raczej nośnikami energii.

Właściwie sensowne jest używanie pojęć takich jak światło, ciepło, elektryczność lub ruch do opisu zjawisk, obejmujących wiele aspektów - energia jest tylko jednym z nich. W połączeniu z płynami (takimi jak woda i powietrze) i niezliczonymi substancjami chemicznymi, z których korzystamy, światło, ciepło, elektryczność lub ruch można najlepiej zrozumieć jako siły natury - zjawiska obdarzone mocą (patrz dokument Siły natury i energia).

Oprócz powiązania z energią - poprzez aspekt mocy - siły natury charakteryzują się głównie dwoma innymi cechami: zjawiska mogą być bardziej lub mniej intensywne, mogą też być większe lub mniejsze — może być ich mniej lub więcej (patrz Rys.2). Występuje natężenie światła, ciepła, prądu elektrycznego i ruchu; natężenia przedstawione są w formie poziomu wysokiego lub niskiego. Zauważ, że różnice w poziomie natężenia odpowiadają za to, co określamy jako napięcia. Są też ilości światła, ciepła, prądu elektrycznego i ruchu.

Fakt, że zjawiska fizyczne i chemiczne opisuemy ilościowo - ilościami płynu, ciepła lub elektryczności, ruchu lub substancji - można zilustrować poprzez pokazanie wielkości podobnych do płynu, które kogą przepływać. Energia elektryczna, światło, płyny, ciepło, ruch lub określone substancje znajdują się w gromadzących je “pojemnikach” (ciepło w gorącym kamieniu, ruch w ruchomym kamieniu, energia elektryczna w kondensatorze, woda w słoiku itp.) I mogą przepływać do i z tych naczyń oraz od zbiornika do zbiornika.

Kiedy mówimy o wodzie, jest to jasne. Wody może być mniej lub więcej, może ona być pod wysokim lub niskim ciśnieniem (a różnice ciśnień wynikają z napięcia związanego z magazynowaniem I przepływem wody). Woda może mieć większą lub mniejszą moc: możemy powiedzieć, że woda jest obdarzona większą lub mniejszą energią. W istocie, jeśli chodzi o energię, sensowne jest postrzeganie wody jako nośnika energii; to z pewnością nie jest sama energia.

Ważne jest, aby patrzeć na światło, ciepło, elektryczność i ruch w ten sam sposób. Wielkości te charakteryzują się intensywnością: jasnością, temperaturą, potencjałem elektrycznym i prędkością; są też związane z napięciami: odpowiednio różnicami jasności, różnicami temperatur, napięciem elektrycznym i różnicami prędkości. Z drugiej strony ilość światła, ilość ciepła (kaloryczność), ilość energii elektrycznej (ładunek) i ilość ruchu należy wyobrażać sobie jako nośniki energii.

Oczywiście substancje są również nośnikami energii; dlatego wodór jest również nośnikiem energii!

Energia: jej udostępnianie I wykorzystanie

Kiedy woda spływa z góry, można ją wykorzystać do zasilania innych procesów. Zwykle używamy jej do napędzania turbiny wodnej, która zasila generator elektryczny, który z kolei napędza jakieś urządzenie elektryczne (silnik elektryczny) i tak dalej.

Zwróć uwagę, co się tutaj dzieje: występują łańcuchy procesów, powiązane siłami natury. Spadająca woda oddziałuje z ruchem obrotowym turbiny, prędkość ruchu obrotowego wpływa na moc elektryczności, która z kolei steruje ruchem obrotowym silnika elektrycznego. Pierwsza interakcja ma miejsce w turbinie, druga w generatorze, a trzecia w silniku elektrycznym. Elementy te - turbina, generator i silnik - nazywane są łącznikami. Wiążą siły natury.

W sprzężeniu dwóch procesów pierwszą siłą jest czynnik przyczynowy, przyczyną drugiego jest pierwszy. Dobrym przykładem jest to, co dzieje się w pompie wodnej zasilanej elektrycznie. Gdybyśmy użyli pompy ręcznej, w której obracamy korbę, abstrakcyjny obraz sprzężenia byłby po prostu odwrotnością, ruch obrotowy przechodziłby z wysokiego do niskiego poziomu wirowania, a zatem “napędzałby” wodę pod górę (woda przechodziłaby z niskiego na wyższy poziom).

Podsumowując, zjawisko wywołujące charakteryzuje się pewną ilością “siły” spadającej z wyższego i przyjmującej niższy poziom (w turbinie jest to ilość przepływającej wody; w elektrycznej pompie wodnej ilość energii elektrycznej, tj. ładunku, spadającego z wysokiego poziomu elektrycznego na niższy). Z drugiej strony, zjawisko wywołane lub wymuszone charakteryzuje się ilością “siły” pompowanej z niższego do wyższego poziomu (w turbinie jest to prędkość ruchu obrotowego - od niskiej do wysokiej; w elektrycznej pompie - wody, woda jest pompowana).

 

 

Całość - prawie 30 stron - pod poniższym linkiem

wersja pdf

 

Tłumaczenie: dr K. Rochowicz