Tren dan prospek sel bahan bakar hidrogen untuk transportasi bersih

Artikel ini akan berfokus pada sel bahan bakar hidrogen, tren, dan prospek penerapannya. Sel bahan bakar berbasis hidrogen semakin menarik perhatian di industri otomotif saat ini, karena jika abad ke-20 adalah abad mesin pembakaran dalam, maka abad ke-21 dapat menjadi abad energi hidrogen di industri otomotif. . Saat ini, berkat sel hidrogen, pesawat ruang angkasa berfungsi, dan di beberapa negara di dunia, hidrogen telah digunakan selama lebih dari 10 tahun untuk menghasilkan listrik.

Sel bahan bakar hidrogen adalah perangkat elektrokimia seperti baterai yang menghasilkan listrik melalui reaksi kimia antara hidrogen dan oksigen, dan produk dari reaksi kimia tersebut adalah air murni, sedangkan pembakaran gas alam, misalnya, menghasilkan karbon dioksida yang berbahaya bagi lingkungan.

Selain itu, sel hidrogen dapat beroperasi dengan efisiensi yang lebih tinggi, sehingga sangat menjanjikan. Bayangkan mesin mobil yang efisien dan ramah lingkungan.Tetapi seluruh infrastruktur saat ini dibangun dan dikhususkan untuk produk minyak bumi, dan pengenalan sel hidrogen dalam skala besar di industri otomotif menghadapi hambatan ini dan hambatan lainnya.

Sementara itu, sejak tahun 1839 telah diketahui bahwa hidrogen dan oksigen dapat bergabung secara kimiawi dan dengan demikian memperoleh arus listrik, yaitu proses elektrolisis air dapat dibalik - ini adalah fakta ilmiah yang terkonfirmasi. Sudah di abad ke-19, sel bahan bakar mulai dipelajari, tetapi perkembangan produksi minyak dan penciptaan mesin pembakaran internal meninggalkan sumber energi hidrogen dan menjadi sesuatu yang eksotis, tidak menguntungkan, dan mahal untuk diproduksi.

Pada 1950-an, NASA terpaksa menggunakan sel bahan bakar hidrogen, dan kemudian karena kebutuhan. Mereka membutuhkan generator listrik yang kompak dan efisien untuk pesawat ruang angkasa mereka. Akibatnya, Apollo dan Gemini terbang ke luar angkasa dengan sel bahan bakar hidrogen, yang ternyata menjadi solusi terbaik.

Hari ini, sel bahan bakar benar-benar keluar dari teknologi eksperimental, dan dalam 20 tahun terakhir kemajuan yang signifikan telah dibuat dalam komersialisasi yang lebih luas.

Tidak sia-sia harapan tinggi ditempatkan pada sel bahan bakar hidrogen. Dalam proses kerjanya, pencemaran lingkungan minimal, keunggulan teknis dan keamanan terlihat jelas, selain itu, jenis bahan bakar ini pada dasarnya bersifat otonom dan mampu menggantikan baterai litium yang berat dan mahal.

Bahan bakar sel hidrogen diubah menjadi energi secara langsung selama reaksi kimia, dan di sini lebih banyak energi diperoleh dibandingkan dengan pembakaran konvensional.Ini mengkonsumsi lebih sedikit bahan bakar dan efisiensinya tiga kali lebih tinggi daripada perangkat serupa yang menggunakan bahan bakar fosil.

Efisiensi akan semakin tinggi, semakin terorganisir cara pemanfaatan air dan panas yang dihasilkan selama reaksi. Emisi zat berbahaya minimal, karena hanya air, energi, dan panas yang dilepaskan, bahkan dengan proses pembakaran bahan bakar tradisional yang paling berhasil diatur, nitrogen oksida, sulfur, karbon, dan produk pembakaran lain yang tidak perlu pasti terbentuk.

Selain itu, industri bahan bakar konvensional sendiri memiliki efek merugikan terhadap lingkungan, dan sel bahan bakar hidrogen menghindari invasi berbahaya ke ekosistem, karena produksi hidrogen dimungkinkan dari sumber energi terbarukan sepenuhnya. Bahkan kebocoran gas ini tidak berbahaya, karena langsung menguap.

Sel bahan bakar tidak masalah dari mana bahan bakar hidrogen diperoleh untuk operasinya. Kepadatan energi dalam kWh / l akan sama, dan indikator ini terus meningkat seiring dengan peningkatan teknologi pembuatan sel bahan bakar.

Hidrogen itu sendiri dapat diperoleh dari sumber lokal yang nyaman, apakah itu gas alam, batu bara, biomassa atau elektrolisis (melalui angin, energi matahari, dll.) Ketergantungan pada pemasok listrik regional menghilang, sistem biasanya tidak bergantung pada jaringan listrik.

Suhu pengoperasian sel cukup rendah dan dapat bervariasi dari 80 hingga 1000 ° C, tergantung pada jenis elemennya, sedangkan suhu pada mesin pembakaran internal modern konvensional mencapai 2300 ° C.Sel bahan bakar kompak, mengeluarkan kebisingan minimum selama pembangkitan, tidak memiliki emisi zat berbahaya, sehingga dapat ditempatkan di tempat yang nyaman di sistem tempatnya bekerja.

Pada prinsipnya, tidak hanya listrik, tetapi juga panas yang dilepaskan selama reaksi kimia dapat digunakan untuk tujuan yang bermanfaat, misalnya untuk memanaskan air, memanaskan atau mendinginkan ruangan - dengan pendekatan ini, efisiensi pembangkitan energi dalam sel akan mendekati 90%.

Sel-sel peka terhadap perubahan beban, sehingga dengan meningkatnya konsumsi daya, lebih banyak bahan bakar yang harus disuplai. Ini mirip dengan cara kerja mesin bensin atau generator pembakaran internal. Secara teknis, sel bahan bakar diimplementasikan cukup sederhana, karena tidak ada bagian yang bergerak, desainnya sederhana dan andal, dan kemungkinan kegagalan pada dasarnya sangat kecil.

Sel bahan bakar hidrogen-oksigen dengan membran penukar proton (misalnya «dengan elektrolit polimer») mengandung membran penghantar proton dari polimer (Nafion, polibenzimidazol, dll.), Yang memisahkan dua elektroda - anoda dan katoda. Setiap elektroda biasanya berupa pelat karbon (matriks) dengan katalis pendukung—platinum atau paduan platinoid dan senyawa lainnya.

Pada katalis anoda, molekul hidrogen berdisosiasi dan kehilangan elektron. Kation hidrogen diangkut melintasi membran ke katoda, tetapi elektron disumbangkan ke sirkuit eksternal karena membran tidak memungkinkan elektron untuk melewatinya. Pada katalis katoda, molekul oksigen bergabung dengan elektron (yang dipasok oleh komunikasi eksternal) dan proton yang masuk dan membentuk air, yang merupakan satu-satunya produk reaksi (dalam bentuk uap dan / atau cairan).

Ya, mobil listrik saat ini menggunakan baterai lithium. Namun, sel bahan bakar hidrogen dapat menggantikannya. Alih-alih baterai, sumber daya akan mendukung bobot yang jauh lebih ringan. Selain itu, tenaga mobil dapat ditingkatkan sama sekali bukan karena bertambahnya bobot akibat penambahan sel baterai, melainkan cukup dengan mengatur suplai bahan bakar ke sistem saat berada di dalam silinder. Oleh karena itu, produsen mobil memiliki ekspektasi yang tinggi terhadap sel bahan bakar hidrogen.

Lebih dari 10 tahun yang lalu, pengerjaan pembuatan mobil hidrogen dimulai di banyak negara di dunia, terutama di AS dan Eropa. Oksigen dapat diekstraksi langsung dari udara atmosfer menggunakan unit kompresor penyaringan khusus yang terletak di dalam kendaraan. Hidrogen terkompresi disimpan dalam silinder tugas berat di bawah tekanan sekitar 400 atm. Pengisian bahan bakar membutuhkan waktu beberapa menit.

Konsep transportasi perkotaan yang ramah lingkungan telah diterapkan di Eropa sejak pertengahan tahun 2000-an: bus penumpang seperti itu telah lama ditemukan di Amsterdam, Hamburg, Barcelona, ​​dan London Di kota metropolitan, tidak adanya emisi berbahaya dan pengurangan kebisingan sangatlah penting. Coradia iLint, kereta api penumpang bertenaga hidrogen pertama, diluncurkan di Jerman pada tahun 2018. Pada tahun 2021, 14 kereta lainnya direncanakan akan diluncurkan.

Selama 40 tahun ke depan, peralihan ke hidrogen sebagai sumber energi utama untuk mobil dapat merevolusi energi dan ekonomi dunia. Meski kini sudah jelas bahwa minyak dan gas akan tetap menjadi pasar bahan bakar utama setidaknya selama 10 tahun lagi.Namun demikian, beberapa negara telah berinvestasi dalam pembuatan kendaraan dengan sel bahan bakar hidrogen, meskipun banyak hambatan teknis dan ekonomi yang harus diatasi.

Menciptakan infrastruktur hidrogen, SPBU yang aman adalah tugas utama, karena hidrogen adalah gas yang mudah meledak. Either way, dengan hidrogen, bahan bakar kendaraan dan biaya perawatan dapat dikurangi secara signifikan dan keandalan dapat ditingkatkan.

Menurut perkiraan Bloomberg, pada tahun 2040 mobil akan mengkonsumsi 1.900 terawatt jam, bukan 13 juta barel per hari saat ini, yang akan menjadi 8% dari kebutuhan listrik, sementara 70% minyak yang diproduksi di dunia saat ini digunakan untuk produksi bahan bakar transportasi. . Tentu saja, pada titik ini, prospek pasar kendaraan listrik baterai jauh lebih menonjol dan mengesankan daripada kasus sel bahan bakar hidrogen.

Pada 2017, pasar kendaraan listrik adalah $17,4 miliar, sedangkan pasar mobil hidrogen hanya bernilai $2 miliar. Terlepas dari perbedaan ini, investor tetap tertarik pada energi hidrogen dan mendanai pengembangan baru.

Maka, pada tahun 2017, Dewan Hidrogen dibentuk, yang mencakup 39 produsen mobil besar seperti Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Tujuannya adalah untuk meneliti dan mengembangkan teknologi hidrogen baru dan distribusi selanjutnya yang tersebar luas.