Energie liberă gratuită ce este extrasă din vid! (II)
de Claudiu Țurțure
Citiți prima parte a acestui articol
Electricitate ecologică şi economică direct din combustibil
Modalitatea clasică de obţinere a energiei din combustibili fosili implică realizarea mai multor conversii succesive ale energiei în diferite forme intermediare înainte de a se obţine energia electrică. În mod obişnuit, un asemenea lanţ de transformare presupune:
– arderea combustibilului pentru a se obţine căldură;
– căldura încălzeşte apa dintr-un cazan până când aceasta se transformă în abur foarte fierbinte (abur uscat);
– presiunea aburului pune în mişcare o turbină;
– rotaţia turbinei este transmisă unui generator ce produce energia electrică.
Toate aceste transformări succesive sunt însoţite de pierderi considerabile, ce se multiplică în cele patru etape, eficienţa globală fiind de regulă sub 40%. La aceste pierderi se adaugă şi cele care survin în timpul transportului şi distribuţiei energiei electrice de la termocentrală la consumatorii finali, pierderi care sunt de regulă de 10-15%. Eficienţa globală a sistemului energetic clasic ajunge astfel să fie sub 35%.
O soluţie inteligentă la această problemă ar presupune o transformare directă a energiei chimice în energie electrică, pe cât posibil în imediata vecinătate a consumatorilor finali, şi folosirea căldurii reziduale pentru termoficare. O astfel de soluţie pare să fie oferită de pilele de combustie.
Pila de combustie: de la electroliza inversă a apei la misiunile spaţiale
Principiul pilei de combustie a fost descoperit în anul 1839 de William Grove, care a încercat să inverseze procesul electrolizei, combinând hidrogenul şi oxigenul pentru a obţine curent electric şi apă. El a realizat astfel prima pilă de combustie, pe care a denumit-o „pila cu gaz“.
Deşi au fost descoperite de peste 170 de ani, din cauza preţului ridicat pe care îl presupunea construcţia lor, pilele de combustie nu au fost utilizate în mod semnificativ până în anul 1960, când au devenit principalele surse de energie electrică în cadrul misiunilor spaţiale americane (programul Gemini). Începând din acel moment, pilele de combustie au fost din ce în ce mai folosite în aplicaţiile spaţiale, pentru că s-au dovedit a fi mai sigure şi mai ieftine decât reactoarele nucleare.
Abia în anii ’90 a devenit evidentă importanţa ştiinţifică şi tehnică a pilelor de combustie, ele pătrunzând în prim planul tehnologiilor energetice. Ca surse de energie foarte eficiente, ele au devenit fezabile atât pentru aplicaţii staţionare, cât şi pentru cele portabile.
Pilele de combustie prezintă următoarele avantaje, care le situează printre cele mai mari speranţe electroenergetice ale viitorului: eficienţă mărită, poluare aproape nulă, funcţionare silenţioasă, fiabilitate mult mai mare decât a motoarelor cu ardere internă (datorată unui număr redus de componente mobile). Funcţionarea lor este similară cu cea a bateriilor, cu menţiunea că aici avem în plus un flux al reactanţilor care intră în interiorul dispozitivului şi unul al produşilor de reacţie care sunt eliminaţi permanent. Cele mai simple pile de combustie sunt alimentate cu oxigen şi hidrogen. De aceea, aşa cum am prezentat mai înainte, ele mai sunt numite şi pile cu hidrogen şi funcţionează pe principiul invers electrolizei apei. Să ne amintim că electroliza apei degajă hidrogen şi oxigen plecând de la apă şi energie electrică. Invers, bateria cu hidrogen produce electricitate şi apă plecând de la hidrogen şi oxigen. Ea este constituită din doi electrozi, anodul şi catodul, care sunt separaţi printr-un electrolit (mediul blocând electronii şi permiţând trecerea ionilor, în cazul de faţă ionii H+). Un catalizator precum platina, de exemplu, este prezent pentru a declanşa reacţia fără ca el să participe totuşi la reacţie.
Randamentul pilelor de combustie
Spre deosebire de alte metode de conversie a energiei chimice în energie electrică, pilele de combustie realizează o conversie directă şi de aceea, ele sunt mult mai eficiente. Randamentul teoretic al pilelor de combustie poate depăşi chiar şi 85%. În practică, totuşi, datorită polarizării interne a pilei, a căderilor de tensiune pe rezistenţele interne etc., se obţin randamente electrice de 50-60%, care sunt destul de mari, comparativ cu alte tipuri de conversie. Prin recuperarea căldurii reziduale şi folosirea ei ca atare sau prin conversie în energie electrică cu ajutorul unei turbine, randamentele globale pot depăşi 80%. Graficul următor evidenţiază comparativ acest avantaj al pilelor de combustie.
Comparaţie între randamentul de conversie electrică al pilelor de combustie şi cel al altor sisteme de conversie a energiei
Pila de combustie clasică
La anod (polul negativ al bateriei), hidrogenul se descompune în ioni H+ şi în electroni [H2(gaz)→2H+ + 2e-]. Electronii eliberaţi nu pot traversa electrolitul şi vor întâlni deci catodul prin intermediul unui circuit exterior care alimentează cu electricitate ceea ce dorim. În ceea ce priveşte ionii H+, ei traversează electrolitul şi se unesc cu oxigenul şi cu electronii la catod (polul pozitiv al bateriei), pentru a forma apa lichidă [2H+ + ½O2(gaz) + 2e-→ H2O (lichid)].
Principiul prezentat mai sus este cel care se aplică în cazul pilelor PEM (Polymer Electrolyte Membrane), adică a pilelor de combustie cu electrolit polimer solid. Randamentul lor este de aproximativ 60% şi temperatura de funcţionare este tipică, de 80°C. Costul lor de producţie este ridicat datorită catalizatorului, indispensabil pentru acest tip de pilă. Celălalt inconvenient al acestor pile constă în limitarea alegerii combustibilului: doar hidrogen.
Hidrogenul ar putea reprezenta agentul energetic al viitorului
Hidrogenul este considerat de tot mai mulţi specialişti ca fiind un adevărat carburant al viitorului. Deoarece este cel mai uşor element chimic, iar densitatea energetică pe care o oferă este foarte mare, hidrogenul este ideal ca agent de transport al energiei. Această caracteristică a sa a făcut din hidrogen combustibilul utilizat în propulsia şi alimentarea energetică a navetelor spaţiale. Având o greutate foarte mică în comparaţie cu energia chimică mare pe care o înmagazinează, el pare foarte uşor de transportat. Problemele apar însă atunci când se pune problema comprimării sau lichefierii lui într-un volum acceptabil. Cu toate acestea, soluţiile pentru instaurarea unei adevărate „economii bazate pe hidrogen“ nu se vor lăsa prea mult aşteptate.
Revista specializată în probleme de energetica hidrogenului „International Journal of Hydrogen Energy“ sintetizează câteva proprietăţi ce recomandă utilizarea hidrogenului ca vector energetic în cadrul tehnologiilor neconvenţionale:
– hidrogenul concentrează surse de energie primară pe care o furnizează consumatorului într-o formă convenabilă;
– cost de producţie relativ scăzut, ca urmare a perfecţionărilor de ordin tehnologic;
– posibilitatea de conversie în diverse forme de energie prin procedee caracterizate de eficienţă maximă;
– este o sursă de energie inepuizabilă, având în vedere că se obţine din apă, iar prin utilizare se transformă în apă;
– este cel mai uşor şi mai curat combustibil. Are o densitate energetică gravimetrică mult superioară oricărui alt combustibil. Arderea hidrogenului este aproape în întregime lipsită de emisii poluante;
– hidrogenul poate fi stocat în mai multe moduri: gaz la presiune normală sau la înaltă presiune, sub formă de hidrogen lichid sau sub formă de hidruri solide;
poate fi transportat pe distanţe mari în oricare din formele prezentate anterior.
Tipuri de pile de combustie
În căutarea unei eficienţe cât mai mari, oamenii de ştiinţă şi inventatorii au proiectat multe tipuri şi dimensiuni de pile de combustie cu specificaţii tehnice diferite.
Acestea sunt clasificate de obicei după tipul electrolitului folosit. O excepţie este DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) în cazul căreia metanolul este introdus direct în anod. Electrolitul acestei pile de combustie nu îi determină clasa din care face parte. Multe dintre constrângerile cu care se confruntă proiectanţii pilelor de combustie sunt datorate alegerii electrolitului. Proiectarea electrozilor, de exemplu, şi materialele utilizate la fabricarea lor depind de tipul electrolitului.
Astăzi, principalele tipuri de electrolit sunt: hidroxizi alcalini (AFC – Alkaline Fuel Cell), carbonat topit (MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell), acid fosforic (PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell), membrană acidă polimerizată cu schimb de protoni (PEMFC – Polymer Electrolyte Fuel Cell) şi oxizi solizi (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell). Primele trei tipuri se înscriu în categoria electroliţilor lichizi în timp ce ultimele două sunt solide.
Tipul de combustibil utilizat depinde, de asemenea, de electrolit. Anumite pile funcţionează cu hidrogen pur şi în consecinţă acestea au nevoie de un dispozitiv suplimentar numit „reformator“, necesar pentru a purifica hidrogenul. Alte tipuri de pile pot tolera un anumit nivel de impurităţi, dar au nevoie de temperaturi mai mari pentru a funcţiona eficient. Unele tipuri de pile necesită ca electrolitul lichid să circule permanent în interiorul lor, aceasta realizându-se cu ajutorul unor pompe.
Tipul electrolitului determină, de asemenea, temperatura de operare, astfel că o altă clasificare a pilelor de combustie poate fi făcută în funcţie de temperatura lor de funcţionare. Există pile de combustie de joasă temperatură şi de înaltă temperatură. Pilele de combustie de joasă temperatură sunt AFC, PEMFC, DMFC şi PAFC. Pilele de combustie de înaltă temperatură funcţionează la 600-1.000°C. Acestea sunt de două tipuri: MCFC şi SOFC.
În continuare vă prezentăm câteva dintre caracteristicile acestor tipuri de pile de combustie.
Pilele alcaline (AFC)
Funcţionează pe bază de hidrogen comprimat şi oxigen. În general, ele folosesc ca electrolit o soluţie de hidroxid de potasiu (KOH) cu apă. Fac parte dintre cele mai eficiente pile de combustie, având o eficienţă în jur de 70%, la o temperatură de operare între 100 şi 200°C. Permit utilizarea unor catalizatori ieftini, precum nichelul, datorită faptului că utilizarea electrolitului alcalin (cu pH ridicat) deplasează potenţialul electrochimic, reducând astfel potenţialul de activare.
Particularitatea acestor pile este că aici conducţia prin electrolit este în principal ionică, bazată pe gruparea OH–, şi mai puţin protonică (H+).
Electrolitul este fixat într-o matrice de azbest sau este în stare lichidă, caz în care este pus permanent în circulaţie prin pompare. O problemă ce poate apărea în acest caz, ca la orice recipient umplut în permananţă cu lichid, este că pot surveni scurgeri.
O altă problemă serioasă pe care o întâmpină acest tip de pilă este vulnerabilitatea ridicată la dioxidul de carbon din aer. Acesta reacţionează cu electrolitul, formând un precipitat de carbonat de potasiu. De aceea, în exploatarea lor este necesară sărăcirea aerului în dioxid de carbon, folosind epuratoare speciale. Se construiesc pentru puteri de ieşire între 300 de waţi şi 150 de kilowaţi şi au densităţi energetice destul de bune.
Pilele alcaline au fost folosite în cadrul programelor spaţiale Apollo pentru a genera electricitate şi apă potabilă. În prezent sunt folosite în general pentru aplicaţii fixe, dar au fost folosite şi pentru aplicaţii mobile. Compania britanică Zevco produce astfel de pile de combustie, echipate cu epurator de aer, pentru dotarea automobilelor; printre altele, Zevco a echipat un întreg parc de taximetre cu pilele sale, care s-au dovedit a fi fiabile.
Pilele de combustie cu carbonat topit (MCFC)
Folosesc drept electrolit un complex de carbonaţi (CO3) de litiu, sodiu, potasiu şi/sau de magneziu şi funcţionează la temperaturi înalte, la care aceste săruri trec în stare lichidă. Purtătorii de sarcină în electrolit sunt ionii carbonat. Temperatura ridicată (peste 650°C) limitează efectele negative ale monoxidului de carbon care ar „otrăvi“ pila, dar energia termică reziduală este destul de însemnată. Ea poate fi utilizată ca atare într-o centrală cu cogenerare, sau pentru a genera suplimentar energie electrică cu ajutorul unei turbine. Catalizatorii folosiţi sunt de nichel şi sunt relativ ieftini în comparaţie cu cei de platină folosiţi la alte tipuri de pile. Aceştia pot chiar să lipsească în unele cazuri, temperatura ridicată având oricum efecte de rupere a legăturilor dintre atomii de oxigen, respectiv hidrogen.
Asamblarea pilelor alcaline de combustibil la modulele de serviciu ale rachetei Apollo (1964)
Acest tip de pilă de combustie suportă introducerea directă la anod a gazului metan sau a metanolului, împreună cu vapori de apă, fără a mai fi necesară o reformare prealabilă. Reformarea apare în mod natural în interiorul pilei, datorită temperaturii înalte de funcţionare. Dioxidul de carbon rezultat din reformarea metanului sau a metanolului nu numai că nu afectează în sens negativ electrolitul, ci este chiar de folos în menţinerea acestuia. În condiţiile alimentării pilei cu hidrogen, ionii de carbonat care formează electrolitul se consumă în reacţiile care au loc şi este necesară injectarea de dioxid de carbon pentru a compensa aceste pierderi. Eficienţa este între 60 – 80%. Au fost realizate unităţi cu puteri de ieşire de 2 megawaţi şi există proiecte pentru unităţi de 100 de megawaţi. Temperatura ridicată introduce limitări în ceea ce priveşte materialele folosite şi siguranţa în utilizare a acestui tip de pile (necesită supraveghere), în special pentru aplicaţiile casnice sau comerciale şi face aproape imposibilă folosirea lor în aplicaţii mobile.
Pilele cu oxizi solizi (SOFC)
Folosesc ca electrolit un complex ceramic de oxizi (Ox) metalici (de calciu sau zirconiu). Eficienţa este în jur de 60% şi temperatura de operare în jur de 1.000°C. Ca şi în cazul MCFC, datorită temperaturii foarte ridicate nu este necesar un „reformator“ pentru a extrage hidrogenul din combustibil, iar căldura rezultantă poate fi folosită pentru a genera suplimentar electricitate. Purtătorii de sarcină sunt ionii de oxigen (O2-), ceea ce face posibilă chiar şi utilizarea monoxidului de carbon (CO) drept combustibil.
Nu necesită utilizarea unor catalizatori scumpi. Electroliţii solizi elimină problema scurgerilor, care există la alte pile de combustie, însă aici pot apărea fisuri. Uzual s-au realizat baterii de astfel de pile, ce generează o putere de până la 100 de kilowaţi. Temperatura foarte ridicată şi dimensiunile destul de mari limitează folosirea acestui tip de pile pentru aplicaţii casnice, comerciale sau mobile.
Pilele de combustie cu acid fosforic (PAFC)
Au fost primele pile de combustie disponibile pentru utilizări comerciale. Electrolitul utilizat (acidul fosforic) este prins într-o matrice din ceramică, inactivă chimic (ex. carbură de siliciu), ce îi asigură pilei atât stabilitatea şi rezistenţa mecanică, cât şi menţinerea acidului în pilă. Temperatura de operare trebuie menţinută între 150 – 200°C. La temperaturi sub 100°C pot apărea probleme legate de interacţiunea ionilor fosfat cu electrodul de oxigen, acest fapt afectându-i capacitatea catalitică. Temperatura joasă de funcţionare implică utilizarea unor catalizatori scumpi, sub forma unor depuneri de metale nobile de circa 0,2 miligrame pe centimetru pătrat la electrodul de hidrogen şi 0,4 miligrame pe centimetru pătrat la cel de oxigen.
Eficienţa variază între 40 – 80%, iar aplicaţiile uzuale sunt realizate în domeniul de puteri cuprins între 5 şi 200 de kilowaţi, însă au fost testate şi unităţi de 11 megawaţi. Acest tip de pile tolerează o concentraţie de monoxid de carbon de 1-3% (în funcţie de temperatura de funcţionare), ceea ce lărgeşte semnificativ posibilitatea de alegere a combustibilului utilizat. Concentraţiile mai mari de CO, uzuale în cazul amestecurilor de gaze rezultate din reformarea hidrocarburilor, pot otrăvi catalizatorul de la electrodul de hidrogen, prin prinderea de acesta şi blocarea microcavităţilor din interiorul electrozilor. Un avantaj al temperaturii de funcţionare de peste 100°C este evacuarea sub formă de vapori a apei rezultate din reacţie.
Dezavantajul principal este densitatea energetică destul de mică, de trei ori mai redusă decât în cazul altor tipuri de pile de combustie. Un alt dezavantaj este necesitatea menţinerii pilei la o temperatură minimă de 45°C, sub care acidul fosforic îngheaţă şi se dilată, putând distruge electrozii sau matricea ceramică.
Aceste două probleme sunt suficiente pentru a face dificile aplicaţiile casnice sau mobile, implementările principale fiind realizate în special în aplicaţii industriale fixe.
Pile de combustie ce folosesc membrană cu schimb de protoni (PEMFC)
Utilizează un electrolit polimerizat sub forma unei membrane foarte subţiri şi permeabile. Polimerul folosit conţine de obicei un derivat organic al acidului perfluorosulfonic prins într-un lanţ de politetrafluoretilen (PTFE sau teflon). Acest lanţ conţine din loc în loc structuri chimice terminate cu gruparea SO3H. Hidrogenul acestei grupări se disociază de moleculă când aceasta este umezită şi apare în soluţie ca proton. Pe de altă parte, anionii SO3– sunt mai degrabă prinşi în molecula polimerului decât liberi în soluţie. Acesta este unul dintre avantajele principale ale acizilor polimerizaţi. Protonii liberi din soluţie se pot astfel deplasa, iar mobilitatea lor stă la baza a ceea ce s-a numit „conducţie protonică“. De aici vine şi denumirea acestui tip de pilă (PEM): „Proton Exchange Membrane“ sau, de asemenea, de la „Polymer Electrolyte Membrane“.
Membranele de polimer acid pot fi realizate din folii extrem de subţiri, sub 50 de microni, făcând posibilă micşorarea dimensiunilor pilei şi prin urmare, obţinerea unor densităţi de putere crescute. Scăderea grosimii foliei de electrolit scade considerabil rezistenţa internă a pilei şi, prin urmare, scad şi pierderile rezistive din interiorul ei. Unul dintre polimerii cei mai folosiţi este deja renumitul Nafion. Acesta este un copolimer de acid perfluorosulfonic (PFSA) şi PTFE în formă acidă, realizat cu aproximativ 40 de ani în urmă.
Membranele Nafion PFSA au o utilizare largă în pilele de combustie cu membrană cu schimb de protoni (PEM). Membrana funcţionează ca un separator şi un electrolit solid, ce permite transportul selectiv de cationi prin joncţiunea pilei. Polimerul este rezistent din punct de vedere chimic şi durabil. Folosirea unui polimer solid elimină necesitatea unui compartiment etanş pentru electrolitul lichid precum şi coroziunea şi problemele de siguranţă legate de acesta.
Utilizarea catalizatorilor este foarte importantă, iar cantităţile utilizate sunt mai mari decât în cazul altor pile, datorită temperaturii joase de funcţionare (70-80°C). Temperatura nu poate să depăşească 80°C, deoarece la temperaturi mai mari există riscul evaporării apei din membrană în cazul unor vârfuri de consum, fenomen ce poate distruge pila. Se foloseşte de obicei platină, în cantităţi de minim 0,4 miligrame pe centimetru pătrat, la fiecare electrod. Cantităţile ridicate cresc rezistenţa pilei la „otrăvirea“ cu monoxid de carbon, în cazul utilizării unui hidrogen impur. Datorită temperaturii joase, la care catalizatorii sunt puţin activi, o cantitate mai mare de catalizator este necesară la catod, din cauza ionizării mai dificile a oxigenului.
Condiţiile moderate de funcţionare constituie un mare avantaj al acestor pile, comparativ cu alte modele ce necesită utilizarea acizilor foarte corozivi, a ceramicilor menţinute la temperaturi înalte sau a sărurilor topite.
Pe de altă parte, pilele cu schimb de protoni sunt în mod special vulnerabile la creşterea cantităţii de apă din membrană; aceasta poate apărea datorită producţiei constante de apă la catod, putând bloca difuzia reactanţilor. De aceea, în construcţia acestor pile trebuie luate măsuri suplimentare pentru evacuarea apei în exces.
Eficienţa electrică este cuprinsă între 40-50%, iar temperatura de operare este în jur de 80°C. Pilele astfel realizate generează între 50 şi 200 de kilowaţi. Electrolitul solid nu prezintă scurgeri sau crăpături, iar temperatura de operare este suficient de mică pentru ca aceste pile să poată fi folosite în casă sau în maşină. Însă combustibilul trebuie să fie purificat, iar aceste pile folosesc de asemenea catalizatori de platină de ambele părţi ale membranei, ceea ce măreşte costurile de producţie.
Aproximativ 50% din puterea maximă este disponibilă imediat la temperatura camerei. Puterea totală este atinsă în aproximativ 3 minute în condiţii normale.
Schiţă a pilei de combustie ce foloseşte membrană cu schimb de protoni (PEMFC)
Recentele descoperiri în domeniul designului şi performanţei oferă posibilitatea scăderii considerabile a costului pilelor PEMFC. De asemenea, se estimează că preţul membranelor de polimeri acizi va scădea cu un ordin de mărime pe măsură ce va creşte producţia lor.
(va urma)
Articol preluat din Caietul Taberei yoghine de vacanță Costinești 2011, vol. 2, publicat la Editura Shambala, tipărit la Ganesha Publishing House.
Citiți și:
Tehnologia extraterestră şi secretele guvernamentale (I)
Nikola Tesla – genialul inventator al tehnologiilor mileniului II
yogaesoteric
24 ianuarie 2014