Palivové články vs. Grid

Pro stanici na výrobu elektrické energie představuje Mohegan-2 mimořádně nevýraznou postavu. Neexistují žádné chladicí věže, které by sužovaly oblohu, žádný les přenosových věží, žádné obrovské turbíny, žádná obří pádla otáčející se v mohutných řekách. V podstatě to vypadá jako hodně vysoký popelník.

Ale když je instalován jako záložní generátor v kasinu Mohegan Sun v Connecticutu, po kterém je pojmenován, bude jemně bzučící Mohegan-2 poskytovat výkon, kterému by se jakákoli konvenční elektrárna jen těžko vyrovnala: bude získávat energii z palivo, aniž by ho spálilo, vyprodukovalo 200 kilowattů elektřiny, využitelné teplo a vodu o čistotě, které se žádný horský pramen nevyrovnal, a přitom produkoval jen skromné ​​množství oxidu uhličitého. Nejpůsobivější na tom všem je, že časem to všechno může velmi dobře umět téměř stejně levně a spolehlivěji než konvenční elektrárny.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z ledna 2002

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Mohegan-2, spolu s řadou podobných vodíkových elektráren, které nyní skákají z dlouhého výzkumného a vývojového úsilí do komerční arény, by mohly být předzvěstí věku palivových článků. Palivové články, které elektrochemicky ždímají energii z vodíku, jsou tiché, čisté a mechanicky jednoduché jako baterie, ale stejně snadno se tankují jako spalovací motor. Palivové články, které byly mnohými považovány za nevyhnutelné nástupce motorů automobilů, které hltají plyn a chrlí znečištění, byly vždy brzděny vysokými výrobními náklady. Ale stále větší počet společností je přesvědčen, že jsou nyní na pokraji snížení cen palivových článků na úroveň, kdy mohou konkurovat – když ne s motory automobilů, tak s konvenčním zařízením na výrobu elektrické energie. Pokud se trh s takovými jednotkami rozběhne, mohl by tento úspěch velmi dobře proniknout k výrobě dalších masově prodávaných palivových článků pro domácnosti a dokonce i jednotlivých spotřebičů. Výsledná vodíková ekonomika, kde nejhojnější přírodní látka nahrazuje fosilní paliva jako elektrický elixír volby, by nakonec byla jednou z výrazně vyšší účinnosti a dramaticky čistšího vzduchu.

Ne že by nadcházející vodíková dynastie byla v žádném případě jistá. Kromě řady technických problémů, které je třeba vyřešit, existují také problémy v oblasti infrastruktury, například jak zpřístupnit čistý vodík spotřebitelům a kde nechat opravit palivové články. Existují dokonce základní otázky ohledně tržního potenciálu palivových článků – jmenovitě, bude veřejnost ochotna zahodit známé technologie ve prospěch palivových článků, které pravděpodobně ponesou vyšší cenu? Mnoho odborníků věří, že ano. Po letech opravdu intenzivního výzkumu nevidíme žádné překážky, které bychom nevěděli, jak obejít, abychom převedli naše energetické systémy na palivové články ve velkém měřítku, říká Kenneth Stroh, který vede výzkum palivových článků v Los Alamos. Národní laboratoř v Novém Mexiku. Stále máme co zlepšovat, ale pokud se nám je podaří získat, bude to událost, která změní hru.

Síla protonů

Sen o vodíkové ekonomice je dlouhodobý. Palivové články existují od roku 1839, kdy britský fyzik William Robert Grove sestrojil zařízení, které dokázalo zvrátit elektrolýzu, kterou si většina z nás pamatuje z chemie na nižší střední škole jako proces štěpení molekul vody na atomy vodíku a kyslíku, které je tvoří, jednoduše zasláním slabého elektrický proud přes vodu.

V palivovém článku se vodík a kyslík spojují za vzniku vody a elektřiny. Základní složkou většiny dnešních palivových článků je elektrolyt potažený katalyzátorem vložený mezi dvě vodivé desky. Do jedné z desek vstupuje vodík a do druhé kyslík ze vzduchu; vodík pak tlačí přes elektrolyt, aby se dostal ke kyslíku. Podél cesty katalyzátor přiměje atomy vodíku, aby se vzdaly svých osamělých elektronů, které jsou blokovány elektrolytem, ​​přičemž na první desce zůstane skupina opuštěných elektronů, zatímco vodíkové ionty migrují na druhou desku. Zapojení drátu mezi dvě desky vede k elektrickému proudu, protože elektrony proudí drátem, aby se spojily s vodíkovými ionty, v tomto okamžiku se rekonstituované atomy vodíku spojí s atomy kyslíku a vytvoří vodu. Proud bude pokračovat tak dlouho, dokud bude čerstvý vodík přiváděn do první desky. Pro dosažení vysokého výkonu lze sady desek skládat dohromady.

Levná ropa a úspory sériově vyráběných spalovacích motorů se po více než století spikly, aby udržely palivové články mimo dohled a mysl. V 70. letech však obavy ze znečištění ovzduší a spolehlivosti dodávek ropy podnítily obnovený zájem o tuto technologii. Vzhledem k tomu, že procesy v palivových článcích se škálují nahoru a dolů bez ztráty účinnosti, vývoj produktů se dnes pohybuje po celé mapě. Motorola chce například umístit palivové články na čipy, které by mohly pohánět mobilní telefony, které berou vodíkové náplně podobné plnicím perům (viz Palivový článek ve vašem telefonu, DĚTI listopad 2001) . Jiní se je snaží využít k provozu dostatečně velkých elektráren na výrobu elektrické energie, aby vyhovovaly potřebám malého města. Federální vláda utrácí ročně asi 90 milionů dolarů na výzkum palivových článků (ačkoli se očekává, že za prezidenta Bushe se financování všech projektů v oblasti alternativní energie sníží).

Ale skutečná pozornost ve výzkumu palivových článků byla zaměřena na automobily. Tváří v tvář stále přítomnému tlaku na snižování znečišťujících emisí a přirozeným omezením spalovacího motoru, výrobci automobilů společně nalili přes 2 miliardy dolarů do výzkumu a vývoje palivových článků – jak interně, tak na podporu společných podniků, jako je spolupráce DaimlerChrysler s palivy. výrobce buněk Ballard Power Systems, Burnaby, Britská Kolumbie (viz Naplňte vodík, DĚTI listopad / prosinec 2000) . Ale dnešní nejlepší palivové články, i když čistší spalování, se stále nedostanou na vzdálenost nejhorších detroitských motorů, pokud jde o získání dobrého výkonu z lehkého, levného a podporovaného balení. A kromě toho, spalovací motor může být nejzakořeněnější technologií v existenci - nástroji a předěláváním přes století a půl, aby dosáhly limitů výkonu a spolehlivosti, vyráběné v obrovských množstvích a podporované všudypřítomnou infrastrukturou pro doplňování paliva a opravy. Vzhledem k tomu, že nikdo nevyrobí velké množství palivových článků, aniž by nejprve vytvořil velký trh, a protože automobilový průmysl postrádá okamžitou pobídku k dokonalosti této technologie, pátrání po automobilových palivových článcích čelí problému 22. Lidé jsou všichni nadšení z vodíkové ekonomiky, říká Joel Swisher, konzultant Rocky Mountain Institute ve Snowmass, CO. Ale když přijde na to, jak se dostat odsud tam, myšlení se zastaví.

Během posledních dvou let se výrobci palivových článků přesvědčili, že viděli cestu kolem tohoto dilematu. Jejich základním myšlením nyní je, že nejlepším způsobem, jak prolomit automobilový trh, je nejprve vybudovat potřebnou infrastrukturu pro výrobu palivových článků a dosáhnout úspor z rozsahu prodejem zařízení na menším, ale méně odolném trhu. Tento trh, říká rostoucí konsenzus odborníků a podniků, je výroba elektrické energie: ačkoli výroba palivových článků stojí asi 10krát tolik jako typický automobilový motor, jsou nyní jen asi dvakrát dražší než srovnatelné generátory na fosilní paliva. . Výzkum a vývoj a rozsáhlé investice byly na straně automobilů, říká Stroh z Los Alamos. Ale je pravděpodobně pravda, že první produkty budou na straně výroby energie.

Mnoho hráčů ve výrobě palivových článků alespoň částečně přesunulo svou pozornost z automobilové arény na trh výroby energie. Mezi nimi: Ballard, nyní pracuje na uvedení jednotek pro obytné a přenosné aplikace; H Power v Cliftonu, NJ, která připravuje 4,5kilowattovou jednotku; a Plug Power v Lathamu, NY, společnost podporovaná General Electric, která začne dodávat GE HomeGen 7000 letos. Dokonce i General Motors oznámila plány na uvedení produktu na výrobu energie s palivovými články.

Jedna společnost, která má nepochybně náskok v tomto náhle okouzlujícím pododvětví, je International Fuel Cells of South Windsor, CT. Nejen, že společnost dlouho vyvíjí palivové články zaměřené na aplikace pro výrobu energie, ale ve skutečnosti je prodává již téměř 40 let. V 60. letech společnost dodala tři palivové články používané v kosmických lodích Apollo k výrobě elektřiny a později totéž udělala pro raketoplány. I když tyto palivové články nikdy neměly žádné komerční využití – spoléhají na drahé pozlacené součástky, za prvé – International Fuel Cells zúročil své zkušenosti s nimi, aby navrhl jednotku nazvanou PC25, zařízení, které generuje 200 kilowattů energie, dostačující. vyhovující potřebám středně velké administrativní budovy. Za posledních šest let společnost prodala více než 220 PC25 v 17 zemích různým podnikům, školám a vládním agenturám, které chtěly nahradit, doplnit nebo zálohovat elektřinu z místních sítí.

Základní součást PC25 má sendvičový design, který se nachází u většiny palivových článků. Vnější strana sendviče se skládá ze dvou vodivých desek posetých kanály pro přivádění plynů dovnitř a ven. Mezi deskami je elektrolyt účinný při vedení protonů; elektrolyt je obklopen katalyzátorem na bázi platiny.

Proces výroby elektřiny v PC25 začíná, když je zemní plyn veden potrubím přes standardní plynovou přípojku do reformátoru paliva jednotky, což je v podstatě malá chemická továrna, která využívá malou sérii procesů založených na teple k přeměně zemního plynu, metanu nebo dokonce benzín na vodík, přičemž zbylý oxid uhličitý. Po konverzi je plynný vodík tažen kanály jedné z desek a do kontaktu s elektrolytem potaženým katalyzátorem, kde katalyzátor zbavuje atomy vodíku elektrony.

Poté, co elektrony dosáhnou druhé desky a spojí se zpět s protony, rekonstituované atomy vodíku se spojí s atomy kyslíku ve vzduchu za pomoci katalyzátoru. Část vody je absorbována elektrolytem, ​​který nebude fungovat, pokud vyschne; zbytek vody je odváděn do nádrže, kde může být vypuštěna. Každý sendvič nebo článek v PC25 vydává méně než kilowatt energie; k dosažení plného výkonu 200 kilowattů používá PC25 sadu 272 těchto článků.

Při použití jako záloha napájení z veřejné sítě zůstává PC25 obvykle v nepřetržitém provozu a chrlí elektrickou energii, která je nasměrována do rozvodné sítě (za kterou obvykle dostává kredit vlastník PC25); pokud ze sítě vypadne nebo se přeruší napájení, elektrický spínač přesměruje výstup PC25 ze sítě do místního zařízení ve zlomku sekundy a udržuje zařízení v proudu.

Proč by někdo chtěl přejít z konvenčních zdrojů elektrické energie na palivové články, jako je PC25? Dalo by se předpokládat, že největší předností palivového článku je to, že eliminuje potřebu fosilních paliv, které jsou v současnosti zdrojem asi dvou třetin elektrické energie v USA. Vzhledem k tomu, že vodík tvoří asi dvě třetiny všech atomů, které tvoří naši planetu, zní to téměř až příliš dobře, aby to byla pravda.

To je. Háček je jednoduchý: vodík může být všude kolem nás, ale je chemicky uzavřený ve vodě a dalších molekulách. Jak se ukázalo, jediným praktickým zdrojem vodíku, který je nyní k dispozici, je ten, na který jsme dlouho spoléhali: uhlovodíky bohaté na vodík, což prakticky znamená fosilní paliva. K extrakci vodíku je třeba napájet samotné reformátory paliva.

Je zřejmé, že nutnost provozovat palivové články na fosilní paliva – a vytápět je a chladit – podkopává některé jejich výhody oproti konvenčním elektrárnám, jako jsou ty, které využívají turbíny spalující zemní plyn nebo pece na uhlí. Ale tuto výhodu to nevylučuje. I když jsou palivové články zatíženy reformovacími zařízeními napájenými zemním plynem, neprodukují žádné jiné emise než oxid uhličitý. Jistě, oxid uhličitý je skleníkový plyn; ale protože jsou palivové články účinnější než elektrárny spalující palivo, produkují ho mnohem méně.

Tato účinnost je klíčem k prodeji generátorů s palivovými články. PC25 pracuje s účinností asi 40 procent, což znamená, že téměř polovina energie, kterou spotřebuje, se přemění na elektřinu a zbytek se ztrácí jako teplo. Pro srovnání, plynové turbíny o výkonu 250 kilowattů, které organizace běžně nakupují jako alternativy nebo doplňky k energii z veřejné sítě, pracují s účinností přibližně 30 procent. (viz Moc lidem, DĚTI květen 2001) . Výkonnost PC25 se promítá do úspory nákladů na palivo přibližně 30 procent. Hrana je rozšířena pro zákazníky, kteří mohou využívat odpadní teplo palivového článku, jehož velká část je snadno zachycena z čistého vzduchu a vody odstraněné z článku; teplo z turbín je ve srovnání s tím obvykle spojeno se škodlivými emisemi.

Bohužel pro většinu náročných uživatelů je tato výhoda zničena vyšší pořizovací cenou palivových článků. Typická sestava PC25 zahrnující 800kilowattovou banku čtyř jednotek stojí téměř 4 miliony dolarů, ve srovnání s méně než 2 miliony dolarů za srovnatelný generátor s plynovou turbínou. Ale James Bolch, vedoucí výroby International Fuel Cells, věří, že dokáže dostat výrobní náklady na další generaci palivových článků společnosti na konkurenceschopnou úroveň. Pro začátek společnost opouští svůj současný design článků s elektrolytem na bázi kyseliny fosforečné a přechází na článek, jehož elektrolytem je tenká plastová membrána – který se stává průmyslovým standardem, protože je levnější na výrobu. Kromě toho společnost zkoumá nové techniky pro nanášení katalyzátoru na bázi platiny za 20 $ za gram v tenčích vrstvách bez obětování výkonu, stejně jako návrhy desek, které zvyšují účinnost tím, že efektivněji přivádějí vodík na membránu a odvádějí zbytkovou vodu pryč.

International Fuel Cells samozřejmě musí nejprve zvýšit svůj objem, než bude moci začít využívat těchto příležitostí. Aby toho dosáhla, společnost se zaměřila na potenciální zákazníky, kteří mohou být ochotni zaplatit významnou cenovou prémii, aby využili výhod palivových článků. Mezi takové zákazníky patří ti, kteří vyžadují obzvláště spolehlivý zdroj energie – nebo prostě více energie, než je možné získat z rozvodné sítě – a také teplo, a nechtějí žít s emisemi plynové turbíny. Existují aplikace, kde je placení 4 500 dolarů za kilowatt kapacity dobrý obchod, tvrdí Guy Hatch, ředitel rezidenčního podnikání společnosti.

Jak se ukazuje, takových potenciálních zákazníků je spousta. Datová centra například vyžadují stálý, stálý zdroj elektřiny a obvykle využívají místní generátor k vyhlazení napájení ze sítě nebo k jeho zálohování v případě výpadku. První National Bank of Omaha v Nebrasce nainstalovala sadu PC25 po výpadku sítě pro ověřování kreditních karet, který stál jen jednoho z jejích zákazníků – The Gap – 6 milionů dolarů v tržbách. A nejsou to jen počítače, které potřebují spolehlivé napájení: hlavní zařízení americké poštovní služby v Anchorage, AK, se rozhodlo vypnout síť ve prospěch PC25, když opakované výpadky trvající jen zlomek sekundy způsobily zablokování jeho třídicího zařízení. Při slavnostním vysvěcení nového vybavení zatemnil okolní region, zatímco zařízení zůstalo plně funkční; přítomní hodnostáři museli ujistit pozorovatele, že nejde o plánovanou demonstraci. Dokonce i lokality v srdcích velkých měst mohou najít energii z veřejné sítě nedostupnou, protože stávající kabely téměř vyčerpaly svou schopnost přivést více energie. Jedním z takových měst je New York; nedostatečné napájení přimělo policejní stanici v Central Parku k instalaci PC25 místo toho, aby kazilo bukolické prostředí kvílením a výpary tradiční plynové turbíny. Budova Cond Nast na Times Square provozuje PC25 ve čtvrtém patře.

Schopnost zprovoznit odpadní teplo generátoru energie na bázi palivových článků je faktorem, díky kterému čísla pro některé kupující vycházejí. Kromě toho, že teplo pomáhá ohřívat budovy v zimě, může v teplejších měsících pohánět typ klimatizace nazývaný absorpční chladič. First National odhaduje roční úsporu nákladů na vytápění ve výši 200 000 USD a dokonce využívá teplou vodu vycházející z palivového článku k rozpouštění ledu a sněhu na náměstí svého sídla. Potenciální velké snížení účtů za vytápění a klimatizaci je jedním z důvodů, proč International Fuel Cells spolu s Ballardem, H Power a dalšími konkurenty věří, že může přimět majitele domů, kteří dbají na životní prostředí, aby vyrobili jednotky s výkonem kolem pěti kilowattů. by se nakonec mohly prodat za pouhých 5 000 $ nebo tak nějak - ačkoli první jednotky budou pravděpodobně stát čtyřikrát tolik. Mluvili jsme s jedním majitelem domu, který utrácel 50 000 dolarů za solární panely, říká International Fuel Cells’ Hatch, který si myslí, že 20 000 dolarů za palivový článek se v tomto kontextu nezdá být tak pobuřující.

Jak daleko se mohou tyto mini elektrárny zvětšit? Alespoň jedna společnost doufá, že se jí podaří vyrobit generátory s palivovými články, které budou konkurovat cenou nejen malým generátorům s plynovou turbínou, ale i velkým generátorům používaným ve veřejných službách. FuelCell Energy z Danbury, CT, se vyvaroval pevných elektrolytů používaných prakticky všemi ostatními výrobci palivových článků ve prospěch roztaveného uhličitanu. Materiál provádí zhruba stejnou funkci vodivých protonů ze záporně nabité desky na kladně nabitou, přičemž odpuzuje elektrony. Umožňuje však jednodušší proces reformování vodíku, což představuje velkou technickou výhodu, pokud jde o hromadnou výrobu. Výsledkem je, že společnost FuelCell věří, že dokáže vyrábět jednotky, které mají výkon až tři megawatty a pracují s účinností téměř 80 procent. To je lepší, než může dosáhnout i největší centrální elektrárna. Navíc lze elektřinu vyrábět na parkovišti spotřebitelské společnosti, namísto cestování přes kilometry elektrického vedení, jehož instalace a údržba jsou nákladné. Energetické společnosti mohou vyrábět elektřinu levně, říká Jerry Leitman, generální ředitel společnosti FuelCell Energy. Ale většina nákladů je v distribuci a přenosu.

Vodík pro masy

I když jsou generátory palivových článků stále výkonnější a účinnější, většina lidí v oboru vidí jejich vývoj spíše jako způsob, jak se dostat na potenciálně obrovský trh s automobily poháněnými palivovými články, než jako základ pro rozvodnou síť nové generace. Pokud jde o základní technologii, přechod by byl poměrně jednoduchý: stejné deskové sendvičové membrány, které pohánějí produkty s elektrickým generátorem, lze umístit do menších, relativně lehkých bloků schopných vydat zhruba 50 kilowattů potřebných k napájení automobil vybavený elektromotorem při umístění do kufru nebo pod zadní sedadlo. Navzdory svému dlouhodobému zájmu o výrobu elektrické energie je International Fuel Cells, pro jednoho, zcela otevřený, pokud jde o využití tohoto pole jako odrazového můstku na chtěný automobilový trh. Doprava je zjevně atraktivním cílem a součástí cesty k ní jsou aplikace výroby energie, říká šéf výroby Bolch. Společnost již spolupracovala s BMW na výrobě vozu, který pracuje částečně s palivovými články, as Hyundai na vývoji vozu poháněného výhradně palivovými články – a tvrdí, že jedná s nejméně čtyřmi dalšími velkými výrobci automobilů. Rovněž uzavřela dohody s Thor, předním výrobcem kyvadlových autobusů v Severní Americe, a Irisbusem, významným evropským výrobcem autobusů.

Komerčně životaschopná auta na palivové články však zůstávají roky daleko a mohou být desítky let pryč, aniž by došlo k průlomu v boji o snížení nákladů. Právě teď, říká Stroh, by ani ekonomiky s hromadnou výrobou nedovolily, aby se palivové články přiblížily ceně spalovacích motorů, které se prodávají za přibližně 50 dolarů za kilowatt palivových článků, které převyšují kapacitu generující energii, a to faktorem přibližně sto. Samotné náklady na materiály by je učinily příliš drahými, říká Stroh.

Možná to je důvod, proč se někteří odborníci domnívají, že trh výroby energie na bázi palivových článků a automobilový trh budou nakonec silně propojeny, přičemž generátory i automobily budou poháněny ze stejných zdrojů. Swisher z Rocky Mountain Institute předvídá scénář, ve kterém zaměstnanci v průmyslových závodech s generátory s palivovými články naplní svá auta s palivovými články vodíkem při práci – a dokonce budou svá zaparkovaná auta používat jako doplňkové generátory energie. Schopnost propojit zařízení s palivovými články by byla katalyzátorem na trhu, říká, což nakonec povede k podobným aplikacím pro majitele domů.

Konečný výsledek? Když se podíváme dále, není těžké vykouzlit představy o plnohodnotné vodíkové ekonomice, ve které palivové články pohánějí vše od přenosných počítačů po letadla a jízdní kola; experimentální verze všech tří jsou již ve vývoji. A co víc, pokud každá domácnost, firma a komunita provozují palivové články vyrábějící energii, pak by mohlo mít smysl je všechny propojit v masivní národní energetickou síť, možná řízenou přes internet, takže přebytečná energie může být na jakémkoli místě spontánně přesunuta do míst trpících nedostatkem.

Samozřejmě, jak zdůrazňuje Stroh, i když se žádná překážka vodíkové ekonomiky nezdá technicky nepřekonatelná, stále je třeba překonat nespočet menších. Ale vzhledem k tomu, že vodík tvoří 75 procent veškeré známé hmoty a je palivem hvězd, možná se nám vesmír snaží něco sdělit.

skrýt