Ūdeņraža kurināmā elementu inovācija 21. gadsimtam

VLADIMIRA BULGĀRA/ZINĀTNES FOTO BIBLIOTĒKA / Getty Images

1839. gadā pirmo degvielas šūnu iecerēja sers Viljams Roberts Grovs, Velsas tiesnesis, izgudrotājs un fiziķis. Viņš sajauca ūdeņradi un skābeklis an klātbūtnē elektrolīts un ražots elektrība un ūdens. Izgudrojums, kas vēlāk kļuva pazīstams kā degvielas šūna, neradīja pietiekami daudz elektroenerģijas, lai būtu noderīgs.

Kurināmā elementa agrīnās stadijas

1889. gadā terminu kurināmā elementi pirmo reizi ieviesa Ludvigs Monds un Čārlzs Langers, kuri mēģināja izveidot funkcionējošu kurināmā elementu, izmantojot gaisu un rūpniecisko ogļu gāzi. Cits avots norāda, ka Viljams Vaits Džeikss pirmais ieviesa terminu “degvielas šūna”. Jaques bija arī pirmais pētnieks, kurš izmantoja fosforskābi elektrolīta vannā.

20. gadsimta 20. gados kurināmā elementu pētījumi Vācijā pavēra ceļu mūsdienu karbonātu cikla un cietā oksīda kurināmā elementu attīstībai.

1932. gadā inženieris Frensiss T. Bekons sāka savus būtiskos pētījumus par kurināmā elementiem. Agrīnie šūnu dizaineri kā elektrolīta vannu izmantoja porainus platīna elektrodus un sērskābi. Platīna izmantošana bija dārga, bet sērskābes lietošana bija kodīga. Bekons uzlaboja dārgos platīna katalizatorus ar ūdeņraža un skābekļa elementu, izmantojot mazāk kodīgu sārma elektrolītu un lētus niķeļa elektrodus.

Bekonam vajadzēja līdz 1959. gadam, lai pilnveidotu savu dizainu, kad viņš demonstrēja piecu kilovatu degvielas elementu, kas varētu darbināt metināšanas iekārtu. Frensiss T. Bēkons, cita labi zināmā Frensisa Bēkona tiešais pēcnācējs, savu slaveno kurināmā elementu dizainu nosauca par 'Bekona šūnu'.

Degvielas šūnas transportlīdzekļos

1959. gada oktobrī Harijs Karls Ihrigs, Allis - Chalmers Manufacturing Company inženieris, demonstrēja 20 zirgspēku traktoru, kas bija pirmais transportlīdzeklis, kas jebkad darbināms ar degvielas šūnu.

Sešdesmito gadu sākumā General Electric ražoja uz kurināmā elementiem balstītu elektroenerģijas sistēmuNASAGemini un Apollo kosmosa kapsulas. Uzņēmums General Electric izmantoja “Bacon Cell” principus kā sava dizaina pamatu. Mūsdienās Space Shuttle elektroenerģiju nodrošina kurināmā elementi, un tie paši kurināmā elementi nodrošina dzeramo ūdeni apkalpei.

NASA nolēma, ka kodolreaktoru izmantošana ir pārāk augsts risks un izmantošana baterijas vai saules enerģija bija pārāk apjomīga, lai to izmantotu kosmosa transportlīdzekļos. NASA ir finansējusi vairāk nekā 200 pētniecības līgumus par kurināmā elementu tehnoloģiju izpēti, paaugstinot tehnoloģiju līdz līmenim, kas tagad ir dzīvotspējīgs privātajam sektoram.

Pirmais autobuss, kas darbināms ar degvielas šūnu, tika pabeigts 1993. gadā, un tagad Eiropā un ASV tiek būvēti vairāki degvielas elementu automobiļi. Daimler-Benz un Toyota 1997. gadā laida klajā ar degvielas šūnu darbināmu automašīnu prototipus.

Kurināmā elementi ir izcils enerģijas avots

Varbūt atbilde uz jautājumu 'Kas ir tik lielisks kurināmā elementos?' vajadzētu būt jautājumam 'Kas ir tik liels par piesārņojumu, klimata izmaiņām vai naftas, dabasgāzes un ogļu izbeigšanos?' Tuvojoties nākamajai tūkstošgadei, ir pienācis laiks mūsu prioritāšu augšgalā izvirzīt atjaunojamo enerģiju un planētai draudzīgas tehnoloģijas.

Kurināmā elementi pastāv jau vairāk nekā 150 gadus un piedāvā neizsīkstošu, videi nekaitīgu un vienmēr pieejamu enerģijas avotu. Tad kāpēc tās jau netiek visur izmantotas? Vēl nesen tas bija izmaksu dēļ. Šūnas bija pārāk dārgas, lai tās izgatavotu. Tagad tas ir mainījies.

Amerikas Savienotajās Valstīs vairāki tiesību akti ir veicinājuši pašreizējo sprādzienu ūdeņraža degvielas elementu attīstībā: proti, Kongresa 1996. gada ūdeņraža nākotnes akts un vairāki štatu likumi, kas veicina nulles emisiju līmeni automašīnām. Visā pasaulē ar plašu valsts finansējumu ir izstrādāti dažāda veida kurināmā elementi. ASV vien pēdējo trīsdesmit gadu laikā kurināmā elementu izpētē ir nogremdējusi vairāk nekā vienu miljardu dolāru.

1998. gadā Islande paziņoja par plāniem izveidot ūdeņraža ekonomiku sadarbībā ar Vācijas autoražotāju Daimler-Benz un Kanādas degvielas šūnu izstrādātāju Ballard Power Systems. Saskaņā ar 10 gadu plānu visi transporta līdzekļi, tostarp Islandes zvejas flote, tiks pārveidoti par transportlīdzekļiem, kas darbināmi ar degvielas šūnu. 1999. gada martā Islande, Shell Oil, Daimler Chrysler un Norsk Hydroform izveidoja uzņēmumu, lai turpinātu attīstīt Islandes ūdeņraža ekonomiku.

1999. gada februārī Hamburgā, Vācijā, uzņēmējdarbībai tika atvērta Eiropā pirmā publiskā komerciālā ūdeņraža degvielas uzpildes stacija vieglajām un kravas automašīnām. 1999. gada aprīlī Daimler Chrysler prezentēja šķidrā ūdeņraža transportlīdzekli NECAR 4. Ar maksimālo ātrumu 90 jūdzes stundā un 280 jūdžu tvertnes tilpumu automašīna pārsteidza presi. Uzņēmums plāno, ka līdz 2004. gadam ierobežotā apjomā tiks ražoti degvielas elementu transportlīdzekļi. Līdz tam laikam Daimler Chrysler degvielas šūnu tehnoloģiju attīstībai būs iztērējis vairāk par 1,4 miljardiem USD.

1999. gada augustā Singapūras fiziķi paziņoja par jaunu ūdeņraža uzglabāšanas metodi ar sārmu leģētu oglekļa nanocaurulēm, kas palielinātu ūdeņraža uzglabāšanu un drošību. Taivānas uzņēmums San Yang izstrādā pirmo ar degvielas šūnu darbināmu motociklu.

Kurp mēs ejam no šejienes?

Joprojām pastāv problēmas ar ūdeņraža dzinējiem un spēkstacijām. Ir jārisina transporta, uzglabāšanas un drošības problēmas. Greenpeace ir veicinājusi kurināmā elementa izstrādi, ko darbina ar reģeneratīvi ražotu ūdeņradi. Eiropas autoražotāji līdz šim ir ignorējuši Greenpeace projektu par īpaši efektīvu automašīnu, kas patērē tikai 3 litrus benzīna uz 100 km.

Īpašs paldies H-Power, The Hydrogen Fuel Cell Letter un Fuel Cell 2000