Vides Vēstis
Viss atpūtai dabā
Dabas dati

Bioloģiski!
 

Ūdeņraža šūnas shēma.

Videokamera, kurai akumulatora vietā ir ūdeņraža šūnu iekārta.

Avista Laboratory 7.5 kW protonu apmaiņas membrāna sadzīves vajadzībām.

Honda jaunā elektriskā automašīna EV Plus.

Vašingtonas universitātes aeronautikas un astronautikas emeritētais profesors Eibs Hercbergs ar vienu no saviem studentiem pozē pie pašu izgudrotās slāpekļa dzinēja automašīnas LN200 (no ABC News).

Ballard ūdeņraža šūna portatīvajam datoram.

Energy Research Corporation 2 MW kausēta karbonāta ūdeņraža šūnu iekārta.

Energy Research Corporation 250 kW kausēta karbonāta ūdeņraža šūnu iekārta.
 

Izdrukāt

Par šo rakstu saņemta 1 atsauksme
Apskatīt atsauksmes · Pievienot atsauksmi

Alternatīvā degviela: izvēlies – slāpekli vai ūdeņradi savā motorā

Mārtiņš Kālis
LU Bioloģijas fakultātes students


Ne reizi vien, skatoties uz blīvu automašīnu straumi Rīgas ielās un elpojot ielu koridoros uzkrājušos smogu, esmu domājis, vai pienāks tādi laiki, kad iekšdedzes un dīzeļdegvielas dzinēji piederēs vēsturei. Tad prātā nāk ainas no fantastikas filmām, kur pa debesskrāpju pilsētu ielām, klusi dūcot, pārvietojas metāliska spīduma elektromobiļi. Cik pamatotas ir šādas nākotnes vīzijas?


Akumulatoru automašīnas

Jau tiek ražotas ar elektrību darbināmas automašīnas. Dažas darbojas tikai ar elektrību, bet citas ir tā saucamās hibrīdās automašīnas, kurās iebūvēts ne vien elektromotors, bet arī ar gāzi darbināms strāvas ģenerators akumulatora uzlādēšanai. Šādu transportlīdzekļu trūkums ir tas, ka akumulatora uzlādēšana prasa diezgan daudz laika – apmēram stundu. Turklāt akumulators ar laiku nolietojas un ir jāmaina. Ilgai braukšanai šāds auto nav piemērots.

Šķidrā slāpekļa automašīnas

Viena no alternatīvajām degvielām ir slāpeklis. Slāpeklim ir ļoti zema iztvaikošanas temperatūra. Ja slāpeklis tiek glabāts zem spiediena kontrolētos apstākļos, tas satur lielu potenciālo enerģiju. Vašingtonas universitātē izveidotajā šķidrā slāpekļa enerģijas konceptauto LN2000 šķidrā degviela izplūst no paaugstināta spiediena tvertnes, pārvēršoties slāpekļa tvaikos. Šajā procesā, izplešoties slāpekļa gāzei, tiek iegūta enerģija, kas tiek izmantota 15 zirgspēku gaisa dzinējā. Tā kā slāpeklis ir galvenais elements gaisa sastāvā, šī reakcija nerada nekādu piesārņojumu – vienīgā izplūdes gāze ir pats slāpeklis.

Galvenā problēma, ar ko saskaras slāpekļa dzinēju ražotāji, ir lielais siltuma daudzums, kas tiek patērēts, iztvaikojot slāpeklim – tā rezultātā var aizsalt caurules, pa kurām plūst slāpeklis. Šis trūkums LN2000 ir daļēji novērsts, šķidro slāpekli iepriekš sasildot. Tā rezultātā ledus veidošanās ir daudz mazāk iespējama.

Slāpekļa sašķidrināšanai ir nepieciešama enerģija. Līdz ar to rodas šaubas par slāpekļa dzinēju izmantošanas pilnīgo nekaitību videi, jo šķidrā slāpekļa iegūšanas procesā varētu tikt patērēts fosilais kurināmais. LN2000 izgudrotāji gan uzskata, ka šāda ražošana lielos apjomos, pat izmantojot fosilo kurināmo nepieciešamās elektroenerģijas iegūšanai, būtu videi ļoti draudzīga, ja slāpekļa iegūšanai izmantotu elektrostaciju izplūdes gāzes, kas satur ne vien oglekļa dioksīdu un citas piesārņojumu veidojošas vielas, bet arī degšanas procesā izmantoto gaisa slāpekli.

Ja no elektrostacijas izplūdes gāzes novadītu uz slāpekļa sašķidrināšanas rūpnīcu, kaitīgās vielas varētu kondensēt, ar atdzesēšanas palīdzību atdalot slāpekli. Tādējādi elektroenerģijas iegūšanas rezultātā atmosfērā nenonāktu nekādi piesārņojošie savienojumi.

Ūdeņraža šūnas

Ūdeņraža šūna ir elektroķīmiska ierīce, kurā elektriskās strāvas iegūšanai tiek izmantots ūdeņradis. Būtībā tā ir ļoti līdzīga akumulatoram, atšķirība ir tā, ka ūdeņraža šūnu nevajag uzlādēt tā kā akumulatoru un tā neizlādējas. Kamēr vien tiek pievadīta degviela (ūdeņradis), tiek ražota elektrība.

Ūdeņraža šūnās tiek savienots ūdeņradis un atmosfēras skābeklis, rezultātā iegūstot elektrisko strāvu un ūdeni. Katrā ūdeņraža šūnā ir divi poraini elektrodi, ko atdala šķidrs elektrolīts. Porainie elektrodi ir klāti ar platīna katalizatoru. Kad ūdeņradis un skābeklis, sūcoties cauri elektrodiem, saskaras ar katalizatoru un elektrolītu, tie jonizējas. Ūdeņraža jons H+ tiecas uz negatīvi lādēto (2) skābekļa jonu. Tiem reaģējot, rodas tīrs ūdens, kas tiek izvadīts no ūdeņraža šūnas. Ūdeņraža protons pie skābekļa dodas caur elektrolītu, bet tā elektrons tiek novadīts pa elektrodus savienojošu apvedceļu.

Tādējādi tiek iegūta elektriskā strāva, kas var tikt izmantota ne vien transportlīdzekļu elektromotoros, bet arī citās elektriskās iekārtās.

Ir ūdeņraža šūnu sistēmas, kuras ietver arī tā saucamo degvielas pārveidotāju. Šāda ierīce spēj izmantot jebkuras ogļūdeņražu degvielas ūdeņradi – no dabasgāzes, metilspirta vai pat benzīna. Tā kā ūdeņraža šūnas darbība nebalstās uz degšanu, izdalītās kaitīgās vielas būtu daudz mazākas nekā vistīrākajā degvielas degšanas procesā. Degvielas pārveidotājs, protams, nav obligāta ūdeņraža šūnu sistēmas sastāvdaļa, ūdeņradi ir iespējams iegūt arī rūpnieciski.

Fosforskābes ūdeņraža šūnas ir komerciāli visvairāk attīstītais ūdeņraža šūnu tips. Tās tiek izmantotas strāvas iegūšanai pat slimnīcās, viesnīcās, biroju ēkās, skolās, lidostās u.c. Fosforskābes degvielas šūnas ražo elektrību ar vairāk nekā 40 procentu efektivitāti (visefektīvākais iekšdedzes dzinējs darbojas ar 30% efektivitāti) vai 85 procentu efektivitāti, ja tiek izmantotas koģenerācijai (elektrības un siltuma iegūšanai vienlaicīgi). Šis ūdeņraža šūnu veids var tikt izmantots arī lielos transportlīdzekļos, piemēram, autobusos vai lokomotīvēs.

Protonu apmaiņas membrānas ūdeņraža šūnās šķidrā elektrolīta vietā tiek izmantota polimēra membrāna. Tās ir ar augstu enerģijas ražošanas pakāpi, spēj mainīt jaudu atkarībā no enerģijas pieprasījuma un ir piemērotas arī automašīnām un citām ierīcēm, kur nepieciešama ātra aizdedze. ASV Enerģētikas departaments paziņojis, ka ūdeņraža šūnas ar protonu apmaiņas membrānu ir vispiemērotākās nelielas jaudas automašīnām, ēkām, kā arī dažādām nelielām ierīcēm, piemēram, videokameru akumulatoru aizvietošanai.

Kausēta karbonāta ūdeņraža šūnas ir ļoti efektīvas enerģijas iegūšanai un ļauj izmantot no akmeņoglēm iegūtu degvielu.

Cietā oksīda ūdeņraža šūnas var tikt izmantotas lielas enerģijas iegūšanai, arī industriālām vajadzībām un lielās elektrocentrālēs. Pastāv iespēja, ka šā tipa ūdeņraža šūnas varētu lietot arī transportlīdzekļos. Eiropā tiek izmēģināta 100 kilovatu iekārta, bet Japānā jau darbojas divas nelielas 25 kilovatu ūdeņraža šūnu iekārtas. Cietā oksīda sistēmās šķidrā elektrolīta vietā parasti tiek izmantots cietas keramikas materiāls, kas ļauj darboties ļoti augstā temperatūrā. Enerģijas ieguves efektivitāte varētu sasniegt 60%.

Sārma ūdeņraža šūnas ilgu laiku ir izmantotas NASA Visuma izpētes misijās. Tās spēj sasniegt pat 70% efektivitāti. Šajās ūdeņraža šūnās kā elektrolīts tiek izmantots sārms – kālija hidroksīds. Līdz šim sārma ūdeņraža šūnas ir bijušas pārāk dārgas komerciālai ražošanai, tomēr vairākas kompānijas meklē iespējas pazemināt to cenu un paplašināt to izmantošanas spektru.

Ir arī divi jauni ūdeņraža šūnu tipi, ar kuru izpēti joprojām nodarbojas NASA un citas organizācijas:

  • tiešā metilspirta ūdeņraža šūnās elektrolīta vietā arī tiek izmantota protonu apmaiņas membrāna, bet anodakatalizators pats izdala ūdeņradi no metilspirta, tādējādi atbrīvojot sistēmu no degvielas pārveidotāja. Efektivitāte atkarībā no temperatūras var būt 40% un augstāka.
  • degvielu atjaunojošās ūdeņraža šūnas ir noslēgta loka elektrības ražošanas sistēmas. Izmantojot saules enerģiju, elektrolīzes iekārtā ūdens tiek sadalīts ūdeņradī un skābeklī, kas tiek ievadīti ūdeņraža šūnā, kur tiek ražota elektrība, siltums un ūdens. Pēc tam ūdens tiek novadīts uz elektrolīzes iekārtu, un process atkārtojas.

Ūdeņraža šūnās patērētais ūdeņradis pašlaik izmaksā apmēram septiņas reizes vairāk nekā benzīns.

Nākamajā žurnāla numurā lasiet par ūdeņraža šūnu izmantošanu, ražošanu un drošību! •